Введение
|
Стр. 4
|
Общие свойства датчиков
|
Стр. 5
|
Датчики скорости
|
Стр. 7
|
Заключение
|
Стр. 10
|
Список использованных источников
|
Стр. 11
|
Приложение 1: внешний вид некоторых моделей
датчиков скорости.
|
Стр. 12
|
Введение
За
последние годы в технике измерения и регулирования параметров различных
процессов всё более и более возрастает роль отрасли изготовления и применения
датчиков. Эта отрасль, постоянно развиваясь, служит основой создания
разнообразных вариантов систем автоматического регулирования.
Такое развитие обусловлено прежде всего гигантским прогрессом
микроэлектроники. Широкий спектр применений микро-ЭВМ в бытовой технике,
автомобилестроении и других областях промышленности всё в большей мере требует
недорогих датчиков, выпускаемых крупными сериями. Как следствие этого
появляются новые интересные и в то же время недорогие устройства на датчиках.
Общие свойства датчиков
На
датчик могут одновременно воздействовать различные физические величины
(давление, температура, влажность, вибрация, ядерная реакция, магнитные и
электрические поля и т. д.), но воспринимать он должен только одну величину,
называемую естественной величиной .
На
рисунке 1 показано устройство воспринимающей системы. Датчик возвращает некую
величину ,
зависящую от ,
которая затем поступает на предварительную обработку.
Рис. 1.
Устройство воспринимающей системы с получением, обработкой и преобразованием
сигнала: - первичный процесс, - вторичный процесс, -
измерительный мост, Amp – усилитель.
Функциональную
зависимость выходной величины датчика от естественной измеряемой величины в статических условиях,
выраженную аналитически, таблично или графически, называют статической
характеристикой датчика.
Статическая
чувствительность представляет собой отношение малых приращений выходной
величины к соответствующим малым приращениям входной величины в статических
условиях. По определению, статическая чувствительность равна или, переходя к пределу,
будем иметь
.
Это
соотношение является постоянным, когда выходная величина (выходной сигнал)
представляет собой линейную функцию входной величины (выходного сигнала). Если
имеется нелинейная функция, то должны быть указаны точки, к которым относится
данная чувствительность. В некоторых случаях чувствительность может быть
представлена в виде наклона секущей между двумя характеристическими точками
статической нелинейной характеристики.
Понятие
статической чувствительности аналогично понятию коэффициента усиления;
градиента; коэффициента чувствительности.
Чувствительность
датчика – это, как правило, именованная величина с разнообразной размерностью,
зависящей от природы входной и выходной величин.
Понятие
чувствительности можно распространить на динамические условия работы. При этом
под чувствительностью подразумевают отношение скорости изменения выходного
сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:
.
В
случае периодических, в частности синусоидальных, сигналов чувствительность
может быть определена как отношение амплитуд выхода и входа.
Под
порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой
величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала. Наиболее
характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика,
выражаемый отношением
,
где
- естественный
предел измерения; -
порог чувствительности датчика.
Для
каждого типа датчиков существует практически достижимый предел величины , определяемый принципом
действия и характеристиками чувствительного элемента.
Гистерезисом
называют неоднозначность хода статической характеристики датчика при увеличении
и уменьшении входной величины.
Для
упругих элементов (мембраны, пружины и т. д.) в понятие гистерезис также
включают понятие упругое последействие.
Гистерезис
относится в общем случае к случайным погрешностям, так как его величина
определяется не только значениями входной величины, но и временными
характеристиками работы датчика. Гистерезис выражается в процентах
,
где
- изменение
выходной величины в рабочих пределах.
Гистерезис
возникает в датчиках из-за внутреннего трения в упругих элементах, трения в
подвижных элементах, ползучести (например, в наклеиваемых тензодатчиках),
магнитного гистерезиса и т. п.
Основной
погрешностью датчика является максимальная разность между действительным
значением выходного сигнала и его величиной, соответствующей истинному значению
входного параметра. Эта разность определяется по статической характеристике
датчика при нормальных условиях и обычно относится к разности предельных
значений выходной величины:
.
Нормальными
условиями эксплуатации датчика являются: температура окружающей среды ; атмосферное давление Па/мм рт. ст.; относительная влажность
окружающего воздуха ;
отсутствие вибрации и полей, кроме гравитационного.
Дополнительные
погрешности датчика – это погрешности, вызываемые изменением внешних условий по
сравнению с нормальными. Они выражаются в процентах, отнесённых к изменению
неизмеряемого параметра (например, температурная погрешность на и т. д.).
Первичной
погрешностью датчика называют отклонение его параметра от расчётного значения:
,
где
- первичная
погрешность параметра ;
- расчётное
значение параметра ;
- индекс (номер)
преобразователя; -
индекс (номер) параметра.
Первичная
погрешность датчика
вызывает отклонение выходной величины от её расчётного значения при заданном
значении входной величины . Это отклонение принято называть частной
погрешностью датчика:
;
.
При
систематических первичных погрешностях частная погрешность датчика определяется
по зависимости
.
Если первичные
погрешности случайные, то предельное значение погрешности датчика можно
определить квадратичным суммированием предельных значений частных погрешностей:
.
Практическая
оценка погрешности измерений различных физических параметров часто усложняется
большим числом одновременно действующих независимых факторов, вызывающих
частные погрешности.
Датчики скорости
Датчики скорости широко применяются в разных отраслях промышленности,
сегодня существует много моделей, действующих по разному принципу и способных
работать в различных условиях.
В промышленной измерительной
технике требуются очень
точные методы определения расхода и скорости потока. При этом допустимые
погрешности не должны
превышать одного процента, а иногда и одной десятой процента. Довольно точные измерители расхода требуются иногда и в
быту (например, газовый счетчик). Недавно появились оптоэлектронные измерители расхода и скорости, работающие па оптическом эффекте
Допплера (см. рисунок 2), которые используют особый вид рассеяния света.
В данном случае луч
лазера разделяется светоделительной пластинкой на два отдельных световых пучка,
которые фокусируются затем с помощью линзы в протекающей среде. Рассеянный
потоком свет попадает затем на фотодетектор (фотоумножитель), где он преобразуется
в электрический ток. Усиленный допплеровский сигнал электронным путём
преобразуется затем в пропорциональное расходу измерительное напряжение.
Рис. 2. Устройство лазерного
допплеровского анемометра для измерения скоростей потоков в трубопроводе.
Такой способ измерения расхода
довольно дорог, но его достоинство состоит в том, что поток не искажается
процедурой измерения и профиль потока может быть измерен с очень хорошим
разрешением, так как регистрируется только скорость в точке фокуса. Однако для
любительской практики этот метод непригоден.
Измерения расхода можно
осуществить чисто электронным путём, применяя в качестве датчика
самонагревающийся резистор. Сопротивление такого резистора изменяется
вследствие охлаждения потоком, в результате чего резистор действует как датчик
расхода. На рисунке 3 показано омическое сопротивление (элемент датчика) в
канале потока.
Рис. 3. Схематическое изображение процессов теплопередачи от
самонагревающегося резистора в канале потока.
Ток нагревает этот элемент до температуры . В этих условиях
теплоотвод осуществляется несколькими путями:
- теплопроводность через среду потока
к стенкам трубы; ;
- теплопроводность через механический
держатель и электропровода; ;
- теплопередача путём излучения (по закону
Стефана-Больцмана );
- теплопередача путём свободной конвекции; ;
- теплопередача путём вынужденной
конвекции (поток):
,
где - объёмный расход.
В итоге омический элемент
датчика оказывается в состоянии теплового равновесия, т. е. Количество
подводимой энергии равно количеству отводимой.
Поскольку подводимая
электрическая энергия равна , равновесие определяется выражением
,
где представляет собой собственно
измеряемую величину, т. к. она определяется потоком в канале. Поэтому все
остальные формы теплопередачи могут быть выражены константой. В этом случае
получается т. н. уравнение Кинга
,
где . В
этом уравнении и
можно считать
аппаратурными параметрами, остающимися постоянными в известных пределах.
Применяется также ультразвуковой датчик скорости, излучающий
ультразвуковой сигнал, который при отражении от частиц, движущихся с разной
скоростью, дает широкополосный отраженный сигнал, который принимается датчиком.
Анализ спектра этого сигнала позволяет рассчитать осредненную скорость потока с
учетом неравномерного распределения скоростей по поперечному профилю сечения.
Датчик скорости автомобиля (ДСА) сконструирован по принципу эффекта
Холла и предназначен для преобразования частоты вращения приводного вала в
частоту электрических импульсов, пропорциональных скорости движения автомобиля,
или преобразования количества оборотов приводного вала в количество
электрических импульсов, пропорциональных пройденному пути автомобиля, а также
для систем управления впрыском топлива.
Интегрированный датчик скорости вращения вентилятора TC670,
предсказывающий и/или обнаруживающий выход из строя вентилятора, предотвращая
тепловое повреждение устройства с охлаждением вентиляторами. Когда скорость
вращение вентилятора ниже установленного, формируется сигнал тревоги -ALERT
(низкий логический уровень). Нижнее значение скорости вращения вентилятора
задается резистором, подключенным к выводу THRESHOLD. Микросхема предназначена
для работы с 2-х выводными вентиляторами. TC670 позволяет отказаться от
использования 3-х выводных вентиляторов в устройстве. По сигналу CLEAR
сбрасывается активный уровень на выводе -ALTER. Эта функция позволяет
использовать TC670 в составе системы контроля работы вентиляторов.
Бесконтактные магнитные датчики VSP-DD-3000M применяются как датчики
скорости. Устройства реагируют на движущиеся тела из токопроводящих материалов.
Применение этих датчиков особенно удобно для контроля транспортных механизмов
(типа норий, транспортеров и т.п.), которые перемещают продукт диэлектрической
природы. В этом случае можно исключить влияние продукта на срабатывание
датчика. Достаточно большая рабочая зона датчика позволяет не изготавливать
специальные крыльчатки и другие дополнительные приспособления для контроля
скорости движущихся механизмов, а использовать уже имеющиеся в конструкциях
механизмов движущиеся металлические детали (спицы колес, болты крепления на
колесах, лентах и т.п.). Эти элементы конструкции периодически проходя через
зону чувствительности датчика, вызывают его срабатывание, что позволяет
контролировать скорость этих механизмов при помощи устройств с функцией
контроля скорости.
Заключение
В работе
были рассмотрены общие свойства датчиков и область их применения. Более
подробно затрагиваются датчики скорости, объясняется принцип действия на
примере конкретных моделей.
На
сегодняшний день существует большое количество различных датчиков скорости,
предназначенных для работы в разных условиях, с разными входными параметрами.
Датчики скорости нашли широкое применение в промышленности и техники.
Список использованных источников
1.
Виглеб Г., Датчики: устройство и применение, 1989;
2.
Осипович Л. А., Датчики физических величин, 1979;
3.
ECW1J-B24-BC0024 энкодер инкрементный
ENA1J-B28-L00128 энкодер оптический
VSP-DD-300M
магнитный датчик скорости