Диагностика строительных машин / Датчики средств диагностирования строительных машин / Глава 1.0

Назначение, принцип действия и структура датчиков с электрическим выходным сигналом

Техническое диагностирование, являясь одним из важнейших направлений в повышении эффективности и качества эксплуатации машин, увеличивает межремонтную наработку, своевременно предотвращает отказы и соответственно сокращает затраты труда и средств на техническое обслуживание и ремонт техники. Наибольший экономический эффект от диагностирования достигается за счет снижения трудоемкости контроля и повышения достоверности информации о техническом состоянии машин при невысокой стоимости средств диагностирования. Эти задачи наилучшим образом решаются в случае применения электрических методов измерения с использованием электронной аппаратуры и в особенности при наличии средств автоматизированного диагностирования, позволяющих свести к минимуму участие мастера-диагноста в получении и обработке измерительной информации и оптимизировать процесс диагноза путем реализации ряда перспективных универсальных диагностических методов (в том числе: виброакустического, теплового, методов, основанных на анализе неустановившихся и переходных режимов, протекающих в двигателе внутреннего сгорания и др.), не доступных для реализации механическими средствами.

Важнейшие функциональные элементы электронных средств технического диагностирования - датчики неэлектрических и электрических физических величин - являются первичными носителями информации о диагностируемом объекте и оказывают влияние на правильный выбор комплекса вторичной аппаратуры (питающей, усилительно-преобразующей и регистрирующей), т. е. на структуру средств технического диагностирования в целом с учетом рациональной точности, надежности, помехоустойчивости и стоимости.

Из всего комплекса диагностической измерительной аппаратуры в наиболее тяжелых эксплуатационных условиях находятся датчики из-за прямого влияния на них объекта диагностирования, контролируемой среды и внешних эксплуатационных факторов, влияющих на метрологические характеристики и надежность датчика и средства технического диагностирования в целом.

В средствах технического диагностирования используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы этих средств имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлическими и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов диагноза в форме, удобной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие при наличии программирующего устройства оперативно перестраивать структуру измерительных каналов. Следовательно, датчик, служащий для восприятия и преобразования диагностического параметра технического состояния агрегатов машин в электрический сигнал, является диагностическим датчиком.

Датчики, являясь первичными элементами средств диагностирования, осуществляют связь этих средств с объектом путем преобразования контролируемых параметров (неэлектрических и электрических величин) в электрические сигналы, поступающие во входные устройства диагностического средства. Таким образом, датчики в средствах технического диагностирования обеспечивают преобразование контролируемых физических величин в соответствующие этим величинам электрические сигналы с тем, чтобы при дальнейших преобразованиях, регистрации и обработке можно было бы получить результаты в форме измеряемой физической величины в функции времени. Преобразование измеряемой физической величины в электрический сигнал осуществляется в датчиках на основе использования зависимости электрических параметров различных физических тел от внешних воздействий. Например, зависимость величины электрического сопротивления металлов и полупроводников от температуры широко используется для измерения таких физических параметров, как температура, скорость газового потока, расход жидкости и газа и др. На принципе использования зависимости омического сопротивления металлических и полупроводниковых тел от механической деформации разработаны датчики для измерения механических напряжений в конструкциях, статических и переменных давлений, вибраций и т. д.

Существует множество типов и модификаций датчиков, отличающихся разными вариантами выполнения схемы и конструкции. В зависимости от принципа действия датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные или активные и параметрические или пассивные.

В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). К таким датчикам относятся:

• пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кристаллу упруго деформирующих сил;
• индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции - наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;
• фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;
• термоэлектрические датчики (термопары), использующие явление термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свободного спаев;
• датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, возникающему на границе различных электродов, опущенных в контролируемый раствор;
• гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС гальванического элемента от состава и концентрации растворов электролитов;
• электрокинетические датчики, использующие явление электрокинетического потенциала, возникающего при вынужденном протекании полярной жидкости через пористую стенку;
• датчики с времяимпульсным выходом, в которых изменяемый параметр преобразовывается в пропорциональный по длительности импульс тока;
• частотные датчики (с частотным выходом), в которых измеряемый параметр преобразовывается в изменение частоты переменного тока или в изменение частоты следования электрических импульсов.

В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи - сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., Причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. К таким датчикам относятся:

• емкостные датчики, использующие зависимость электрической емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;
• электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков - индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие: индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердечника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнито провода. Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздействием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнитной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воздействием приложенных к ним механических сил или напряжений;
• электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра;
• потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием контролируемого параметра;
• жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия которых основан на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента;
• механотронные датчики, основанные на преобразовании измеряемого параметра в перемещение электродов механотронной лампы и, соответственно, в изменение анодного тока;
• тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от материала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фольговые) и полупроводниковые;
• датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия;
• магнито-модуляционные датчики, представляющие собой устройства, содержащие магнитную систему и магнитометр, при взаимном перемещении которых меняется напряженность магнитного поля, пронизывающего магнитометр, и, соответственно, выходной сигнал;
• датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства цепи, в которой они стоят, менять свое сопротивление соответственно в зависимости от температуры, механического напряжения, освещенности и т. д.

Из всей номенклатуры типов датчиков, различающихся по принципу действия, в настоящее время находят наиболее широкое применение следующие:

• Потенциометрические или реостатные датчики - для измерения абсолютных, избыточных давлений жидких и газообразных сред и перепадов давлений; координат и относительных перемещений; линейных ускорений; угловых скоростей; скоростного напора и др.
• Тензорезисторные (тензометрические) датчики - для измерения давлений, усилий, вращающих моментов, относительных перемещений, линейных ускорений и др.
• Электроконтактные датчики - для измерения временных интервалов и фазовых параметров работы двигателя.
• Индуктивные датчики - для измерения давлений, линейных перемещений и др.
• Трансформаторные (взаимоиндуктивные) датчики - для измерения линейных перемещений, давлений, расходов и др.
• Магнитоупругие датчики - для измерения вращающих моментов, усилий и др.
• Индукционные датчики - для измерения расходов жидкости и газа, частоты вращения и др.
• Пьезоэлектрические датчики - для измерения давлений, вибраций, уровней, расходов по уровню и др.
• Термоэлектрические датчики (термопары) - для измерения температуры выхлопных газов и температуры в камере сгорания двигателя, температуры поверхности корпусных деталей и др.
• Датчики термосопротивления (термометры сопротивления)- для измерения температуры жидких сред и поверхности корпусных деталей.
• Фотоэлектрические датчики - для измерения частоты вращения, вращающего момента, линейных размеров и др.
• Механотронные датчики - для измерения малых перемещений, усилий, давлений и др.
• Частотные стробоскопические датчики (стробоскопы) - для измерения фазовых параметров работы двигателя и частоты вращения.

Основной характеристикой датчика является зависимость выходной величины (электрического сигнала) U от входной величины (контролируемого параметра) X, определяемая градуировочной характеристикой U = kХ).

В наиболее простых случаях структурная схема датчика включает в себя один или два элементарных преобразователя. В простейшем случае он может состоять только из одного преобразователя, осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую величину и. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию X измеряемого параметра и преобразующего ее в промежуточную неэлектрическую величину Хи и преобразователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины Ху в электрический сигнал. В отдельных случаях между чувствительным элементом и преобразователем располагается передаточный механизм или несколько промежуточных преобразователей (структура каскадного соединения). Часто встречаются более сложные структуры: дифференциальная схема, например в индуктивных датчиках давления, и компенсационная схема, например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений.

В более общем виде подавляющее большинство датчиков неэлектрических параметров можно представить обобщенной структурной схемой. Показанная электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал U3. Например, в некоторых теизометрических датчиках электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение.

Вид функциональной зависимости датчика неэлектрического параметра, как правило, определяется соотношением действующего и противодействующего усилий на чувствительный элемент и характеристиками преобразователя неэлектрического параметра в электрический сигнал. Действующее усилие создается за счет энергии измеряемой физической величины и воспринимается чувствительным элементом, деформирующимся пропорционально действующему усилию. Деформация чувствительного элемента трансформируется промежуточным преобразователем датчика в электрический сигнал. Таким образом, функциональная зависимость выходного сигнала от измеряемой физической величины определяется свойствами и геометрическими размерами чувствительного элемента, а также электрическими свойствами преобразователя и частично измерительной цепи. Если датчик состоит из одного преобразователя, то его характеристика определяется физическими и электрическими параметрами последнего. Характер зависимости в ее окончательном суммарном виде, как правило, находится путем градуировки датчиков и представляется в виде таблицы либо в виде графика. При градуировке для контроля задаваемых значений измеряемой неэлектрической величины и выходного сигнала применяют образцовые средства измерения с погрешностью, которая в 3-5 раз меньше погрешности датчиков в нормальных условиях.

В зависимости от свойств составных конструктивных и схемных элементов датчика его градировочная характеристика оказывается либо линейной, либо нелинейной. В большинстве случаев стремятся иметь датчики с линейной характеристикой, т. е. с характеристикой, погрешность от нелинейности которой ничтожна по сравнению допускаемой погрешностью датчиков в нормальных условиях. Линейность характеристики особенно важна для измерений колебательных процессов и других динамических измерений.

---

---