8. Для чего служат датчики? Каков физический принцип их работы?

Датчики – наиболее широкий класс элементов автоматизированных

систем управления. в мире техники существуют десятки тысяч типов дат-

чиков, различающихся физическим принципом работы, конструктивным

исполнением, стоимостью и т. п.

Датчиками называются элементы систем автоматического управления,

преобразующие изменения показателей или уровней одного физическо-

го принципа действия в пропорционально изменяющийся сигнал другой

физической природы, образующийся на выходе датчика. Как правило, все

датчики систем автоматики и телемеханики преобразуют такие неэлек-

трические физические процессы, как изменения температуры, влажно-

сти, перемещения, давления, силы воздействия, веса, скорости, ускоре-

ния, освещенности и другие в электрический сигнал.

Параметры сигналов с датчиков имеют решающее значение при фор-

мировании управляющего воздействия на объект управления. Поэтому

к датчикам предъявляются жесткие требования по точности преобразо-

вания управляемой величины и стабильности преобразований даже при

воздействии внешних помех и изменении условий эксплуатации.

в зависимости от принципа действия, все электрические датчики мож-

но разделить на параметрические и генераторные.

Параметрические датчики преобразуют управляемую величину в пара-

метр электрической цепи: сопротивление, индуктивность, емкость. Для

параметрических датчиков необходим вспомогательный источник элек-

троэнергии. К параметрическим датчикам относятся потенциометричес-

кие, тензометрические, терморезисторные, емкостные, индуктивные,

трансформаторные типы датчиков.

Генераторные датчики преобразуют неэлектрическую энергию входно-

го сигнала, пропорционального значению управляемой величины, в элек-

трическую энергию. К генераторным датчикам относятся термоэлек-

трические, тахогенераторные, фотоэлектрические, пьезоэлектрические,

магнитоэлектрические, ультразвуковые, индукционные, вентильные

типы датчиков. Генераторные датчики не нуждаются во вспомогатель-

ных источниках энергии.

Датчики, применяемые для автоматизации транспортных процес-

сов, должны выдавать выходные унифицированные (стандартные) сиг-

налы в соответствии с требованиями Государственной системы прибо-

ров (ГСП).

— 64 —

Потенциометрические датчики применяются для преобразования угло-

вых или линейных перемещений в электрический параметр (сопротивле-

ние датчика). Такие датчики представляют собой переменный резистор,

который включается по схеме реостата или потенциометра (делителя на-

пряжения). Конструктивно потенциометрический датчик представляет

собой электромеханическое устройство, состоящее из каркаса с намо-

танным на него тонким проводом из сплава с высоким удельным сопро-

тивлением, скользящего контакта (щетки и токопровода), выполненно-

го в виде скользящего контакта или спиральной пружины.

в настоящее время витковые датчики заменяются пленочными, в ко-

торых обмотка заменяется тонким слоем металла с высоким удельным

сопротивлением. Изменение ширины пленки или ее толщины позволя-

ет получить линейную или нелинейную выходную характеристику (со-

противление).

тензометрические датчики (тензодатчики) преобразуют механические

напряжения, усилия и деформации в электрический сигнал. Если при из-

менении внешнего воздействия меняется сопротивление датчика, то та-

кой датчик называется тензорезистором. Конструктивно такие датчики

могут быть проволочные, работающие на растяжение (сжатие) и обеспе-

чивающие изменение своего сопротивления в соответствии с изменени-

ем своих размеров (длины и сечения) или работающие на разрыв, когда

сопротивление становится очень большим.

в настоящее время широко используются фольговые тензодатчики,

которые изготовляются из ленточной фольги толщиной 4–12 мкм, и по-

лупроводниковые тензодатчики, выполняемые из кристаллических полу-

проводниковых материалов (кремния, арсенида галлия, германия и др.).

Достоинства полупроводниковых тензодатчиков: высокая чувствитель-

ность (примерно в сто раз больше, чем у проволочных); большой выход-

ной сигнал, что позволяет обходиться без усилителя. Недостатки: малая

механическая прочность, сильное влияние окружающей температуры

и большой разброс параметров в одной партии датчиков.

индуктивные датчики преобразуют в электрический сигнал небольшие

линейные или круговые перемещения. Конструктивно датчик состоит из

катушки индуктивности с железным сердечником и подвижного якоря,

соединенного с объектом контроля и перемещающегося вместе с ним.

При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи дат-

чика вследствие изменения воздушного зазора между обмоткой и якорем.

Изменение сопротивления изменяет величину магнитного потока и ин-

дуктивность датчика. Пределы контролируемых перемещений находятся

в диапазоне до 10 мм, но с высокой точностью (до 0,3 мкм).

тахометрические датчики применяются для преобразования в элек-

трический сигнал частоты вращения подвижного объекта контроля. Та-

хогенератор представляет собой маломощную электрическую машину

постоянного или переменного тока. Принцип действия тахогенераторов

основан на законе электромагнитной индукции. При изменении магнит-

ного потока, создаваемого постоянным магнитом или электромагнитом,

в обмотке тахогенератора индуцируется ЭДС, пропорциональная скоро-

сти (частоте) изменения магнитного потока. Изменение магнитного тока

можно получить двумя методами: перемещая магнит относительно об-

мотки или перемещая обмотку относительно магнита.

Магнитные датчики. Принцип их действия состоит в изменении маг-

нитного потока в сердечнике при внесении в магнитную систему датчи-

ка дополнительного сердечника (например, при прохождении через дат-

чик колесной пары подвижного состава) или наведении ЭДС в обмотке

при вращении колеса.

температурные датчики преобразуют уровень теплового излучения

объекта контроля в параметр электрической цепи (в сопротивление).

Примером датчика такого типа можно считать приемник инфракрасно-

го излучения от нагретой буксы колесной пары. Такой датчик называется

балометром, сопротивление которого снижается при поступлении в ка-

меру датчика теплового (инфракрасного) излучения.

Пьезоэлектрические датчики преобразуют действующее на них усилие

(давление, удар) в изменение ЭДС на металлизированных гранях датчи-

ка. Принцип действия основан на возникновении разности потенциалов

на гранях сегнетоэлектрика, находящегося под давлением.

На железных дорогах датчики применяются в автоматической локо-

мотивной сигнализации, в системах регулирования скорости и автома-

тического управления тормозами поезда, контроля скорости скатывания

отцепов и измерения веса отцепов, обнаружении по ходу движения соста-

ва перегретых букс, нарушения габаритов, наличия «ползунов» на колес-

ных парах; в пассажирской автоматике, например в турникетах; в различ-

ных системах контроля свободности участков железной дороги (перегона,

станционных путей, участков приближения к переезду и т. п.).