Notesale: Turn your study into money

Document Preview

Extracts from the notes are below, to see the PDF you'll receive please use the links above

---

7
...
1
...
7
...

The action of strain gauges is based on a change in the resistance of conductors
and semiconductors when they are stretched or compressed
...
АНАЛОГОВЫЕ ДАТЧИКИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АВТОМАТИКИ И МЕХАТРОНИКИ
7
...
Общие сведения об измерении и контроле
в технических системах
Тензометрические датчики
Тензодатчик представляет собой проводник (проволочный или
фольгированный) или полупроводник, сложенный змейкой и обклеенный
изоляционными пластинами (рис
...
3)
...

Основной характеристикой датчика является коэффициент относительной
тензочувствительности:
k=

R
l

R = R ,
l
l

where ΔR is the change in the resistance of the sensor during its deformation где R – изменение сопротивления датчика при его деформации на величину
by Δl; R is the nominal resistance of the sensor; l is the base length of the l; R – номинальное сопротивление датчика; l – базовая длина датчика
...

Согласно закону Гука
l
F

According to Hooke's Law
=
= ,
l
F

=
= ,
l
SE E

where F is the tensile or compression force; S is the cross-sectional area of the
deformable object; E is the modulus of elasticity of the material; σ - normal
stress during deformation
...


l

SE

E

где F – усилие растяжения или сжатия; S – площадь поперечного сечения
деформируемого объекта; E – модуль упругости материала;  – нормальное
напряжение при деформации
...


Рис
...
3
...
7
...
General view of strain gauge transducer

Since the output parameter of the strain gauge is the value ΔR or R, they are
included in the bridge measuring circuit (Fig
...
4)
...
The cd diagonal is called the power diagonal, and the ab
diagonal is called the measuring diagonal
...
1
...

A strain gauge is included in one of the arms of the bridge (for example, R1)
...

One of the disadvantages of strain gauges is their low sensitivity
...
In this case, the sensors must
perceive the deformation of different signs, so that one of the increments ΔR
is positive, and the other is negative
...
One of
the methods of compensating for these effects is the inclusion of strain gauges
placed on the object in two other arms of the bridge so that they perceive the
same temperature deformation as the working sensors, but useful deformation
did not affect them
...
7
...

Классическая мостовая схема состоит из четырех сопротивлений,
образующих плечи моста
...
7
...

В одно из плеч моста (например, R1) включается тензодатчик
...

Одним из недостатков тензодатчиков является их невысокая
чувствительность
...
При этом датчики
должны воспринимать деформацию разных знаков, чтобы одно из приращений
R было положительным, а другое – отрицательным
...
Одним из методов компенсации этих воздействий
является включение в два других плеча моста тензодатчиков, размещенных на
объекте таким образом, чтобы они воспринимали ту же температурную
деформацию, что и рабочие датчики, но полезная деформация на них не
оказывала влияния
...
7
...
Strain gauge wiring diagram

d

Рис
...
4
...

– температурный коэффициент сопротивления; t – изменение температуры
...

тепловой инерционности
...

measuring temperatures from -50 to +180 ° С
...
) are used as a sensitive element
...
e
...

Compared to metal thermistors, thermistors have greater sensitivity and high
resistance with very small working parts
...

However, a rather large spread of resistances and less stability are significant
disadvantages of thermistors
...


В
полупроводниковых
термосопротивлениях
(терморезисторах,
термисторах) в качестве чувствительного элемента применяют оксиды,
сульфиды, нитриды или карбиды металлов (меди, никеля, марганца, кобальта,
титана, урана и др
...
они имеют отрицательный
температурный коэффициент сопротивления
...
Это позволяет им почти мгновенно
воспринимать изменения контролируемой температуры и являться
практически безынерционными измерителями
...
Применяют терморезисторы и термисторы для
измерения температур от -90 до +180 °С
...
7
...

показанной на рис
...
4
...
The resistance of this layer is inversely элемента имеют светочувствительный слой, нанесенный на стеклянную
proportional to the intensity of the light flux or the power of the light source
...


The photoresistors have relatively high stability, they allow the creation of Фотосопротивления обладают сравнительно высокой стабильностью,
proximity sensors, usually of relay type
...

Индуктивные датчики перемещения
Индуктивные датчики (ИД) предназначены для преобразования
перемещения измерительного органа в электрическую величину
...

There are single (throttle) and transformer IDS with a movable anchor and a
Различают одинарные (дроссельные) и трансформаторные ИД с
movable core
...

Inductive displacement sensors (Inductive motion sensors)
Inductive sensors (IS) are designed to convert the movement of the measuring
body into an electrical quantity
...


The scheme of the simplest single IS with a movable anchor is shown in Fig
...
5,a
...
7
...
Датчик включает в себя катушку 1, расположенную на
3, moving under the action of external forces
...
Then the current in the circuit
внешних сил
...
Тогда сила тока в цепи
,
Uп
,
Uп
I=

(Rк + Rн )2 + (L )2

I=

(Rк + Rн )2 + (L )2

where Usup – voltage coil; Rc and Rl – the active resistance of the coil and the где U п – напряжение питания катушки; Rк и Rн – активные
load, respectively; ω – frequency voltage; L – the inductance of the coil
...

Since the inductance of the coil is related to the air gap δ ratio
Так как индуктивность катушки связана с величиной воздушного
зазора  соотношением
S
S ,
L ~ w 2 0 ,
L ~ w 2
2

where w is the number of turns of the coil; μ0 – magnetic permeability of air;
S – the area of the air gap of the coil, it change when moving the armature
relative to the core causes a change in inductance of the coil and thus to the
current change
...


0

где

2

w – число витков катушки; 0 – магнитная проницаемость воздуха;

S – площадь воздушного зазора катушки, то его изменение при
перемещении якоря относительно сердечника приводит к изменению
индуктивности катушки и, следовательно, к изменению тока
...


Как следует из приведенных зависимостей, характеристика одинарного
As follows from the above dependencies, the characteristic of a single sensor
датчика
является по своей сути нелинейной
...
However, for small movements (up to 5÷7 mm), the
перемещениях (до 57 мм) характеристику с достаточной степенью точности
characteristic can be considered linear with a enough degree of accuracy
...


Other disadvantages of such IS are: the influence of the voltage and frequency
of the network on the current strength, the occurrence of significant forces
between the moving and stationary parts of the magnetic circuit, which can in
some cases change the position of the measurement object
...

a)

b)

~Uout

Другими недостатками таких ИД являются: влияние напряжения и
частоты сети на силу тока, возникновение значительных сил между подвижной
и неподвижной частями магнитопровода, способных в некоторых случаях
изменить положение объекта измерения
...


~Usup

a)

~Uп

I

I
Rl

1

2

b)

~Uвых

~Usup

Rн

1

2

~Uп

3

3





3

3

Rl

c)

1

d)

Rн

c)

~Uout

1

d)

~Uвых

a
~Uout

х

a
х

~Uвых

х

b

~Usup
2

a

b

b

~Uп

Rl

х

Rн

c

c

Fig
...
5
...
The diagram of a transformer IS with a movable anchor is
shown in Fig
...
5, b
...
To obtain a linear characteristic of the IS in a sufficiently large
range (up to 100 mm or more), differential IS with a movable core is used
...
7
...


2

a

b

c

c

Рис
...
5
...

Схема
трансформаторного ИД с подвижным якорем приведена на рис
...
5, б
...
Для
получения линейной характеристики ИД в достаточно большом диапазоне (до
100 мм и более) применяют дифференциальные ИД с подвижным сердечником
...
7
...


Достоинством ИД является то, что они просты по устройству и в
The advantage of IS is that they are simple in design and manufacture
...

Они не имеют деталей, подверженных изнашиванию в процессе
do not have parts that are subject to wear during operation, and are durable
...
The main advantages
of the sensors are also stability of operation and relatively low sensitivity to
changes in environmental conditions
...
Эти датчики имеют относительно большую выходную
мощность, что позволяет в некоторых случаях не использовать специальные
электрические усилители мощности
...


For measuring angular displacements of IS apply angular displacements,
Для измерения угловых перемещений применяют ИД угловых
called microsyn
...
Принцип действия их аналогичен
рассмотренным выше датчикам линейных перемещений
...

Capacitive sensor
Capacitive sensors are capacitors of various designs that convert mechanical
linear or angular movements, as well as pressure, humidity, or the level of
the medium into an electrical capacity
...
Sensors with a variable air gap between the plates are
used to control small linear movements; sensors with a variable working area
of the plates with a constant gap between them-to control angular movements,
and sensors with a variable permittivity between the plates, but with constant
gaps and working areas of the plates – to control the filling levels of tanks
with liquids or bulk materials
...
Sensors are widely
used in various equipment as components of oscillating circuits, electrical
filters and other circuits, as well as for measuring movements, dimensions of
parts, and fluid levels in various control systems
...
Disadvantages – the need for
a high-frequency source or amplifier at industrial frequency and the harmful
effect of parasitic capacitances
...
Основной зависимостью, используемой в этих датчиках, является
зависимость электрической емкости конденсатора С от его геометрических
размеров, взаимного расположения обмоток и величины диэлектрической
проницаемости материала :
C = 0

S
,


где S – площадь пластин;  – расстояние между пластинами, 0 – электрическая
постоянная
...

Емкостные датчики используют только при частотах, превышающих
1000 Гц, так как при промышленной частоте их емкостное сопротивление
весьма велико
...

Достоинства емкостных датчиков – простота устройства, малые
размеры и масса, высокая чувствительность и малая инерционность
...


Магнитоупругие датчики

Magnetoelastic sensors
The effect of magnetoelastic sensors is based on the use of the effect of
magnetic elasticity, which is characteristic of some ferromagnetic metal alloys
(for example, ferro-silicon transformer steels) and consists in changing the
magnetic permeability under the influence of deforming compression or
tensile forces
...
7
...

Sensors of the throttle type (Fig
...
6,a) are an alternating current
electromagnet with a closed magnetic conductor, to the core of which a
deforming force is applied, which causes a change in the magnetic
permeability and magnetic flux, and therefore leads to a change in the
electrical resistance of the sensor coil
...
To power the coil, a stable voltage is required,
since the voltage fluctuation leads to changes in the magnetization, magnetic
permeability, and therefore the resistance of the sensor coil
...

Магнитоупругие датчики (рис
...
6) бывают дроссельного и
трансформаторного типа, причем первые могут контролировать обе
деформации, а вторые – только усилие сжатия
...
7
...
Для питания катушки
необходимо стабилизированное напряжение, так как колебание напряжения
приводит к изменению электрического сопротивления катушки датчика
...


~U

mV

b)

Fig
...
6
...
7
...
The primary winding is supplied with an AC supply voltage, and the secondary
is removed from the induced EMF, the value of which is determined by the
compression force applied to the core
...

Advantages of magnetoelastic sensors are simplicity of the device and reliability in
operation, resistance to impacts of shocks, vibrations, wet, dusty and aggressive
environments, and the disadvantage is the change in properties and characteristics
over time
...
7
...
Схема магнитоупругого преобразователя

Датчик трансформаторного типа (рис
...
6, б) имеет две обмотки,
размещенные в отверстиях сердечника
...
При отсутствии механического усилия взаимоиндуктивность
обмоток такова, что ЭДС на выходной обмотке равна нулю
...


Generator sensors
In generator sensors, sensitive elements with thermoelectric (thermocouple)
and piezoelectric (piezoelectric) effects are widely used
...
7
...
the principle of operation of the thermocouple is that if
the junction (welding) and the ends of the thermoelectrodes with a connected
millivoltmeter mV are placed in environments with different temperatures t1
and t2, then an EMF proportional to the difference in these temperatures occurs
in the circuit
...
Thermocouples are used to measure temperatures
over a wide range (100 – 2000 °C)
...

The piezoelectric element
The piezoelectric element (Fig
...
8) consists of a single crystal of a
piezoelectric 1 (quartz, segnet salt, tourmaline, etc
...

Under the influence of pressure P, charges appear on the contacting surfaces
of the crystal, the value of which is proportional to the pressure
...
The piezoelectric transducer used for
the measurement of fast dynamic processes under shock loads, vibration, etc
...
The induction
sensor (Fig
...
11) consists of a steel core 4, coil 3 and an annular permanent
magnet 2
...


Генераторные датчики
В генераторных датчиках широко используют чувствительные элементы
с термоэлектрическим (термопара) и пьезоэлектрическим (пьезоэлемент)
эффектами
...
7
...
Принцип действия термопары заключается в том,
что если место спая (сварки) и концы термоэлектродов с подключенным
милливольтметром mV поместить в среды с различными температурами t1 и t2,
то в цепи возникает ЭДС, пропорциональная разности этих температур
...
Термопары используют для измерения температур в широких пределах (100
- 2000 °С)
...

Пьезоэлемент
Пьезоэлемент (рис
...
8) состоит из монокристалла пьезоэлектрика 1
(кварц, сегнетовая соль, турмалин и др
...
Под
воздействием давления Р на контактирующих поверхностях кристалла
появляются заряды, величина которых пропорциональна давлению
...
Применяются пьезодатчики для измерений
быстропротекающих динамических процессов при ударных нагрузках,
вибрациях и т
...
7
...
При
линейном перемещении якоря 1 и пересечении магнитного потока в катушке
индуктируется ЭДС, прямо пропорциональная скорости перемещения и
обратно пропорциональная зазору между сердечником и якорем
...
7
...
Induction sensors (transducer)

Рис
...
11
...
They are direct качестве датчиков, преобразующих контролируемую частоту вращения
and alternating (asynchronous) current
...
Они бывают постоянного и переменного
(асинхронные) тока
...
The latter do not need a power source
...
Последние не
disadvantage of direct current speed transducers is the presence of a collector нуждаются в источнике питания
...

постоянного тока – наличие коллектора и щеток, снижающих
Asynchronous speed transducers (Fig
...
12) are similar in design to two-phase надежность работы
...
7
...
The two stator windings of the tachogenerator are offset by 90 двухфазным асинхронным двигателям, только их роторы выполняют в
виде тонкостенного металлического цилиндра
...
A supply voltage U is supplied to winding 1, and a
тахогенератора смещены на 90° относительно друг друга
...
When a constant voltage and frequency supply voltage is выпрямитель или часть схемы управления подключают вольтметр
...

ротора, приводимого в движение контролируемой машиной или
механизмом
...
7
...
Asynchronous speed transducers

V
Uвых

вх
Ротор

2

Рис
...
12

---