Датчици

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2007

 

Сензори за магнитни, електрически, акустични, геометрични, химични и механични величини

Оптималното протичане на технологичните процеси в индустрията се определя в немалка степен от коректното измерване на параметрите им. Съществува огромно разнообразие от методи и средства за измерване на магнитни, електрически, акустични, геометрични, химични и механични величини. Всеки от които в по-голяма или по-малка степен подходящ за дадено приложение. В статията ще ви запознаем с принципи на работа, метрологични специфики и приложна област на основни видове датчици.

Сензори за магнитни величини

Според създадената през 1960 г. Международна система измерителни единици SI, интензивността на магнитно поле (нарича се и напрегнатост) Н е 1 A/m в средата на соленоид с дължина 1 m, през който протича ток 1 А. Магнитната индукция В е 1 Т (тесла), когато в хомогенно магнитно поле върху линеен проводник с ток 1 А, разположен перпендикулярно на силовите линии, действа сила 1 N. Производителите на сензори за магнитни величини продължават да използват по-старите мерни единици на системата CGS - оерщед за интензивност (1 Ое = 79,58 A/m), гаус за индукция (1 G = 10-4 T) и максуел за магнитен поток (1 Maxwell = 10-8 Wb). В геофизиката за интензивност се използва единицата гама (1 g = 79,58.10-4 A/m). В зависимост от максималната стойност на Н съществуват 3 групи сензори - за слаби, средни и силни полета.

Магнитните сензори за слаби полета (Low Field Sensor) измерват В под 0,1 nT и основните им приложения са за научни изследвания, в медицината и военната техника. Специфична особеност, която се отчита в тяхната конструкция, е измерването на значително по-малки стойности на Н от измененията на земното магнитно поле. С най-голяма чувствителност са свръхпроводящите сензори (Superconducting Quantum Interference Device) SQUID за измерване на Н между десетина fT и десетина Т. Необходимостта от работа при ниски температури (обикновено
-269°С) е една от причините те да нямат индустриално приложение. Вторият вид са сензорите с бобина (Search-Coil Sensor), чийто принцип на действие се основава на закона на Фарадей (в проводящ кръг, поставен в променливо магнитно поле, се индуцира електродвижещо напрежение, равно на скоростта на изменение на полето и с противоположен знак). Могат да се измерват стойности на В между 1 рТ и 100 kT, посредством индуцираното напрежение, което изисква променливо магнитно поле или движение на сензора. Типично приложение е за контрол на автомобилното движение, като преминаващите коли се регистрират по предизвикваните промени в земното магнитно поле.

Сензорите за средни магнитни полета (Medium Field Sensor) се наричат още сензори за земното магнитно поле (Earth’s Field Sensor), тъй като поради обхвата им от 0,1 nT до 1 mT най-често се използват за измерване на Н на земното магнитно поле (от 0,1 до 10 mT). Типични приложения са реализация на компаси, за регистрация на аномалии в полето поради наличието на метални предмети и определяне на скоростта на изменение на полето. Сред най-старите (създадени през 1928 г.) и все още най-масово използвани са сензорите за поток (Fluxgate Sensor). Поради своя принцип, сензорите за поток са сравнително големи и не така надеждни, както други съвременни интегрални сензори.

Магнитоиндуктивните сензори (Magnetoinductive Sensor) представляват релаксационен генератор, чиято честота f0 е пропорционална на Н. Измерват Н обикновено в границите от 0,1 A/m до 1 kA/m, имат малка постояннотокова консумация и ниска цена. Приложението им се ограничава в създаването на компаси.

Много по-голямо е приложението на анизотропните магниторезистивни сензори (Anisotropic Magnetoresistive Sensor), означавани като AMR сензори. С AMR сензорите могат да се измерват променливи магнитни полета с честота до 1 MHz. Използват се за измерване на земното магнитно поле (навигация и компаси), определяне наличието, големината и посоката на други магнитни полета, както и за тяхната промяна поради наличие на метални предмети. Областите на приложение включват контрол на трафик, хранително-вкусова промишленост, земеделие, изкопни работи, лабораторни уреди.

Сензорите за силни магнитни полета (High Field Sensor, Bias Magnet Field Sensor) се използват за измерване на полета с В над 1 mT, като горната граница достига до 10 kT. Обикновено те се създават от предназначени за целта постоянни магнити, а въздействието върху сензора е за кратко време. В зависимост от принципа на действие съществуват 3 основни вида сензори от този тип. Първият са сензорите на Хол. Вторият вид сензори са магниторезисторите (Magnetoresistor) MR. Те използват полупроводников слой от InSb или InAs с дебелина няколко mm, чиято дължина е значително по-малка от w. Така се получава съпротивление между няколко стотици W и няколко kW. Третият вид са гигантските магниторезистори (Giant Magnetoresistive Device) GMR, чието странно наименование произтича от силното изменение (до 70%) на съпротивлението им с Н. Физическото явление, на което те се основават, е открито през 1988 г., благодарение на успехите в получаването на много тънки слоеве (под 10 nm) от магнитни и проводящи немагнитни материали. Основно предимство на GMR резисторите са малките размери, значителните изходни напрежения, големите чувствителност и температурна стабилност и сравнително ниска цена.

Сензори за ток

Действието им се основава на известния от физиката закон B = (2.10-7 I)/r, който дава магнитната индукция в Т на разстояние r в m, създадена от линеен проводник с диаметър d<<r с ток I в А. За определяне на I се измерва стойността на В чрез магниторезистор или сензор на Хол.

За повишаване на чувствителността на сензора и измерване на малки токове се използва магнитопровод, който концентрира магнитните силови линии в сензора. Наименованието сензори за ток с отворена верига (Open Loop Current Sensor) се отнася за всички свързвания, при които изходният сигнал се използва непосредствено за оценка на стойността на измервания ток. За измерване на големи токове при малко разстояние r са подходящи сензори за ток със затворена верига (Closed Loop Current Sensor), наричани още сензори с обратна връзка (Feedback Current Sensor). Основните им предимства в сравнение със сензорите с отворена верига са липсата на принципни ограничения за големината на I, много добрата линейна зависимост между Uo и I, големият обхват и точност на измерването, по-широката честотна лента и по-голямото бързодействие. Типични приложения са регулиране на оборотите на ел. двигатели, системи с обратна връзка, токова защита, токозахранвания, честотни конвертори и др.

В зависимост от вида на изходния сигнал съществуват линейни сензори за ток (Linear Current Sensor) LCS и цифрови сензори за ток (Digital Current Sensor) DCS. Формата на изходния сигнал на първите практически съвпада с тази на тока, което ги прави особено подходящи за системи със затворен кръг. Изходното им напрежение при липса на измерван ток обикновено е половината от захранващото, увеличава се при ток в едната посока и намалява при ток в другата посока. Някои LCS имат възможност за настройка на обхвата и чувствителността при пускането им в експлоатация. Наименованието сензор за ток с индустриално приложение (Industrial Output Current Sensor) се отнася за LCS с изходен сигнал ток (напр. 4-20 mA) или напрежение (напр. 1-5 V). Двете логически нива на DCS обикновено са няколко десетки от V и захранващото напрежение и преминаването от едното в другото става при достигане на дадена стойност на измервания постоянен ток или при преминаване през нулата на променлив ток. Типични приложения са за подаване на алармен сигнал, включване на двигатели и отваряне на вентили.

Сензори за акустични величини

Във всяка среда могат да възникнат малки деформации под въздействието на подходящ източник. Те представляват преместване на нейните частици, които се връщат в изходното си състояние при премахване на въздействието. Разпространението на деформациите представлява акустична вълна (Acoustic Wave). Звуковите вълни (Sound Wave) са част от акустичните, имат честоти между 16 Hz и 20 kHz и могат да се възприемат от човешкото ухо. Тези с честоти под 16 Hz са инфразвук, а ултразвукът е над 20 kHz.

Частта от пространството, в която се разпространява звукова вълна, се нарича звуково поле (Sound Field). В зависимост от вида и начина на разпространение на звуковите вълни съществуват 3 вида полета. В свободното звуково поле (Free Sound Field) има само една плоска звукова вълна в определена посока. Вторият вид е поле с постоянно налягане (Pressure-Field), във всички точки на което има едно и също звуково налягане. Дифузно звуково поле (Diffused Field) се създава в пространство, където от всички посоки постъпват звукови вълни с приблизително еднакви амплитуди и фази. Обикновено тези полета се създават в затворени помещения с добре отразяващи стени.

Микрофоните са основен вид акустични сензори, въпреки че приложенията им далеч надхвърлят тази област. На практика като сензори се използват само измервателни микрофони, които дават най-малка грешка. По принцип микрофоните представляват линейни преобразуватели на промяната на звуковото налягане в електрически сигнал. Класическите индустриални приложения са за измерване на шума от всякакви обработващи машини и вентилатори, както и от експлозии. Напоследък съществено значение придоби измерването на шума от офис оборудване и домакински уреди. За екологията е важно измерването на околния шум в населени места, този в жилищни и административни сгради, производствени помещения, както и шума от МПС. Измерването на характеристиките на високоговорители от всякакъв тип в процеса на разработването им и контролът по време на производството също налагат използването на микрофони. Последният характерен пример са аудиофизиологичните изследвания в медицината с цел профилактика или поставяне на диагноза.

Съществуват два основни вида класификации, първата от които е в зависимост от начина на измерване. По принцип поставянето на микрофона променя конфигурацията на звуковото поле и съответно предизвиква грешка в измерването. Конструкцията на микрофоните в свободно звуково поле (Free Field Microphone) е такава, че тази промяна се компенсира, т.е. измерва се звуковото налягане все едно, че няма микрофон. За правилно измерване микрофоните се поставят така, че звуковата вълна да е перпендикулярна на мембраната им. Използват се, когато измерваният звук идва само от определена посока. Обикновено това са случаите на източници, разположени на открито (например строителни машини или МПС). Използването им в затворени помещения е допустимо, само когато няма отражения на звука от стени и предмети. Микрофоните на налягане (Pressure Microphone) нямат споменатата компенсация и измерват звуковото налягане на промененото поле, а мембраната им трябва да е успоредна на звуковата вълна. Основните им приложения са за измерване в малки затворени пространства, близо до гладки отразяващи повърхности и за монтиране в стени или обекти при звукова вълна, успоредна на повърхността им. Третият тип са микрофоните в дифузно поле (Diffuse Field Microphone). Те работят в условия на множество звукови вълни, идващи от всички посоки, поради което се наричат и микрофони с произволно въздействие (Random Incidence Microphone). Измерването с тях практически не зависи от посоката на звуковата вълна. При измерване в свободно звуково поле се препоръчва мембраната да е под ъгъл 70-80° спрямо посоката на вълната. Основните приложения са за измерване в затворени помещения, където до микрофона достигат директна и отразени вълни. Често производителите на микрофони в свободно поле предлагат към тях механични коректори (Random Incidence Corrector), който ги превръщат в микрофони в дифузно поле.

Втората класификация на микрофоните е в зависимост от принципа на действието им. Като акустични сензори най-масово се използват кондензаторни микрофони (Condenser Microphone, Capacitive Microphone), които в зависимост от начина на реализацията си се разделят на две групи. Първите са кондензаторните микрофони с външна поляризация (Externally Biased Condenser Microphone), наричани обикновено само кондензаторни микрофони. Основните им приложения са за измервания на открито и в лаборатории, особено при повишени температури.

Чувствителността на кондензаторните микрофони е право пропорционална на диаметъра на мембраната и съответно на геометричните им размери. По-големите микрофони са по-чувствителни и съответно долната граница на динамичния им обхват е по-малка.

Втората група са кондензаторните микрофони без външна поляризация (Self-Biased Condenser Microphone, Prepolarized Condenser Microphone), които работят без захранващо напрежение. Те са популярни и като електретни микрофони (Electret Microphone). Електретът е тънък материал с много голямо изолационно съпротивление, по чиято повърхност могат да се натрупват електрически заряди и да се задържат много дълго време (над 100 г.).

Хидрофоните (Hydrophone) са предназначени са за акустични измервания в течна среда, най-често вода, но могат да се използват и за измерване на шум във въздух (особено подходящи са при голяма влажност) и силно замърсена газова среда. Като чувствителен елемент обикновено използват пиезокристал, поради което принципът на действието им практически е същият, както на пиезомикрофоните. Основната разлика е в конструкцията, която трябва да е устойчива на влага и големи налягания. Поради това корпусът е от специална неръждаема сплав с голяма корозоустойчивост (например Cu-Ni или Al-бронз). Спецификата на приложенията налага към хидрофона да има кабел със същите изисквания, както към корпуса. Освен това кабелът трябва да осигурява много добро екраниране от електромагнитни полета. Характерна за хидрофоните е кръглата им диаграма на насоченост. Специфичен параметър е максимално допустимото статично налягане, до което се гарантира нормална работа. Обикновено то се дава в atm или воден стълб. Съществуват хидрофони за океанографски изследвания, работещи до дълбочина 1000 m. Максималната измервана честота достига 200 kHz, което позволява ултразвукови измервания (например разпределение на полето във вани за ултразвуково почистване).

Сензори за геометрични величини

Голямото разнообразие на геометрични величини се свежда обикновено до измерване или регистриране на положението на подвижен обект спрямо неподвижен или спрямо някаква реперна точка.

Контактни сензори

Те са два основни вида - изключватели и потенциометрични сензори. В зависимост от областите на приложение и условията на работа, изключвателите имат няколко разновидности. Първата са крайните изключватели (Limit Switch) LS, които обуславят нормалната работа на машина или устройство, т.е. задействането им не означава аварийна ситуация. Вторият тип се състои от две части - едната съдържа клемите и се закрепва неподвижно, а другата е с актуатора и контактите и лесно се поставя и сваля, което улеснява ремонта. Друга разновидност са предпазните изключватели (Safety Switch) SS, чието задействане означава аварийно положение. Конструктивно LS и SS могат да се произвеждат като взривобезопасни изключватели (Explosion Proof Switch), които в зависимост от приложението си са в съответствие с различни стандарти.

Последната разновидност на изключвателите са плаващите магнитни ключове (Reеd Floating Switch) RFS, използвани обикновено за регистриране на минималното и максималното ниво на течност в съд (нефтопреработващи и химически заводи, хранително-вкусова промишленост, медицинска апаратура и др.).

Вторият основен вид са потенциометричните сензори (Motion Potentiometer) МР, чийто принцип на действие не се различава от този на обикновените потенциометри. Движението на обект се измерва чрез напрежението между свързания с него плъзгач и един от фиксираните изводи на МР. Обхватът на измерваното линейно преместване е от десетина mm до 2 m при линейност около 1% и разрешаваща способност около 10 mm. Към предимствата, обусловени от стойностите на тези три параметъра, се прибавят малката постояннотокова консумация, простотата на функциониране (не е нужен електронен блок за обработка) и възможността за скорост на движение на плъзгача до десетина m/s. Механичният контакт между проводящия слой и плъзгача прави МР уязвими към вибрации и износване.

Индуктивни
сензори

Те са сред най-старите, но продължават да заемат важно място поради голямата надеждност, добра разрешаваща способност, лесна поддръжка (не се влияят от прах, влага и др. замърсявания) и ниска цена. В зависимост от принципа на действие съществуват три основни метода за реализация на индуктивни сензори.

Първият се основава на токовете на Фуко, които се индуцират в метален обект при поставянето му в магнитно поле и предизвикват консумиране на енергия, нарастващо при приближаване на обекта към източника на полето (електромагнит).

Вторият метод се основава на промяната на индуктивността на бобина при движение на нейната сърцевина. Чрез свързване на последната към подвижен обект може да се измерва неговото преместване.

Капацитивни
сензори

Капацитетът между две метални плочи с разстояние d помежду им и припокриващи се повърхности S е: C=e0 er S/d , където e0 е диелектричната проницаемост на вакуума и er е относителната диелектрична проницаемост на пространството между плочите. Реализацията на капацитивни сензори се основава на промяната на er (обикновено попадане между плочите на обект с er, различна от тази на въздуха), на d (подвижният обект е едната плоча на кондензатора) или на S (промяна на взаимното разположение на обекта и сензора).

При капацитивните сензори за приближаване (Capacitive Proximity Sensor) CPS обикновено се използва практическото нулиране на капацитета при достатъчно голямо d. Специфични предимства на CPS са възможността на регистриране на наличието на метални и неметални предмети, течности и твърди вещества. Това е възможно, дори когато обектът е в затворен съд, а сензорът е отвън. Единственото условие е при неметален обект неговата er да е значително по-голяма от тази на съда. Като недостатъци могат да се отбележат малкото Sn (до около 40 mm) и силната зависимост от околни въздействия (например влажен въздух).

Ултразвукови сензори

Ултразвукът е акустична вълна с честота f0 между 20 kHz и десетина MHz, която се разпространява във въздуха със скорост va около 340 m/s. Последната зависи слабо от физическото състояние на въздуха, което позволява измерване на разстоянието между сензора и обекта да се прави чрез времето за изминаването му. Предавателят в сензора излъчва акустична вълна под формата на импулси с честота около 1 Hz, които достигат до обекта, отразяват се и се връщат до приемника. Сензорите за индустриални приложения имат f0 до около 500 kHz. Отразената вълна се приема от акустичен преобразувател, а компаратор измерва времето между излъчването и приемането на вълната. Изходът на сензора обикновено е аналогов (напрежение 0-10 V или ток 4-20 mA) и е линейна функция на разстоянието l до обекта. Специфичен параметър на ултразвуковите сензори е чувствителността им (понякога се нарича стъпка на измерване), представляваща промяната на сигнала при изменение на l с 1 cm. Типичните й стойности са няколко десетки mV/cm.

За правилното действие на сензорите трябва отразяващата повърхност на обекта да е перпендикулярна спрямо посоката на излъчване. Околната температура влияе върху показанията на ултразвуковите сензори, поради което има модели с автоматична температурна компенсация, работещи например в обхват от -40 до +100°. Не трябва да се забравя, че нагретите обекти променят конфигурацията на отразената вълна, което води до грешка в измерване на разстоянието. Грешка се получава и при движение на обекта. Чрез включване на микроконтролер в обработващия модул се реализират допълнителни подобрения в точността на измерването. Типичните стойности на линейността са под 1%, повторяемостта е няколко десети от процента и времето на реакция е около 0,1 s.

Основно предимство на ултразвуковите сензори за разстояние са също голямото lmax, независимостта от оптичните свойства на обекта и линейната връзка между изходния сигнал и измерваното разстояние. От недостатъците могат да се отбележат необходимостта от подходяща повърхност на обекта и разположението му спрямо сензора, сравнително голямото време на реакция, наличието на lmin и зависимостта на показанията от състоянието на въздуха (температура, влажност, налягане).

ултразвуковите сензори за разстояние са подходящи за измерване на ниво на течности (вкл. и химически активни) в резервоари и открити басейни и на насипни материали в силози.

Магнитострикционни сензори

При поставяне на пръчковиден феромагнитен материал (Fe, Ni, Co и техни сплави) в надлъжно магнитно поле, неговите домени се ориентират по посока на полето, поради което пръчката се удължава. Това явление е известно като магнитострикция, а удължаването е право пропорционално на магнитната индукция в пръчката. Това се използва за реализиране на магнитострикционни сензори (Magnetostrictive Sensor) MS, измерващи премествания и нива на течности. Специфичен параметър на MS е хистерезисът (Hysteresis) lH. Характерни предимства на MS са издръжливостта на удари и вибрации, възможността на работа при тежки условия, голямата надеждност и широк обхват на допустими температури на обекта. Освен това МН може да работи с два МС, т.е. да се измерва разстоянието до два обекта, като при това автоматично се разпознава броят им.

Радарни
сензори

Принципът на действие на радарните сензори (Radar Sensor) RS, е подобен на този на ултразвуковите, но се излъчва електромагнитна вълна с честота f0 в разрешените обхвати (6.3, 9 и 26 GHz). Тя се разпространява със скорост 3108 m/s, което означава необходимост от измерване на около 106 пъти по-малки времена в сравнение с ултразвуковите. Вълната се отразява достатъчно добре от всякакви твърди, полутвърди и течни обекти, разстоянието до които съответно може да бъде измервано. Ограничението е да са неметални с относителна диелектрична проницаемост er над 1,5 за течности и над 2,5 за твърди вещества. С увеличаване на f0 нараства точността на измерване, но и поглъщането от въздуха е по-силно, което означава по-малък обхват или необходимост от по-голяма мощност на излъчване. Последната не надхвърля няколко десети от mW, поради което RS са напълно безопасни за здравето (излъчваната от антената на един GSM мощност е няколко W).

Според вида на излъчвана вълна, съществуват два вида RS. Импулсните (Pulse Radar) излъчват по посока на обекта пакети от синусоиди с продължителност под 1 ns. Вторият вид са RS с честотна модулация (Frequency-Modulated Continuous Wave) FMCW, които излъчват синусоидална електромагнитна вълна с честота, линейно изменяща се във времето. Обикновено FMCW работят в Х-обхвата (8,5-9,9 GHz), имат значително по-голяма мощност на излъчване и по-сложен електронен блок за обработка на сигнала. В съвременните разновидности последният се излъчва периодично и изчисляването на разстоянието се извършва в паузите. Това намалява мощността, но забавя измерването и налага ограничения. С RS се измерват разстояния до (или нивото на) всякакви течности (горещи, студени, химически активни), втечнени газове, тестообразни субстанции, насипни материали и твърди тела.

Вибрационни сензори

Вибрационните сензори (Vibratory Sensors) VS се базират на пиезоефекта, съществуващ в определени видове кристали. При правия пиезоефект механичните деформации на пиезокристала в дадена посока предизвикват електрическо напрежение между две срещуположни негови стени, докато обратният пиезоефект е промяна на линейните размери при прилагане на напрежение.

Предавателят във VS съдържа пиезокристал, на който се подава напрежение с честота няколко стотици Hz, равно на резонансната му честота. Получените вибрации достигат до премника (с втори пиезокристал) при липса на обект между тях и създават напрежение. Наличието на обект намалява и дори нулира вибрациите и съответно напрежението на приемника. Това обуславя приложението на VS главно за регистриране на достигането до определено ниво на насипни твърди материали (пластмаси, зърнени храни, пясък, цимент и т.н.) или течности. Плътността на материала може да е в широки граници, например от 20 до 1500 kg/m3. Към това предимство се прибавя независимостта от температурата и влажността на материала, поради което VS не се нуждаят от калибровка при инсталирането им.

Фотоелектрични
сензори

Действието на фотоелектричните сензори (Photoelectric Sensor) PS се основава на взаимодействието (прекъсване, преминаване или отразяване) на генериран светлинен лъч с обекта. Генерирането в предавателя и обработката в приемника се извършва чрез електронни блокове, откъдето е другото им наименование оптоелектронни сензори. При сензори за присъствие на непрозрачни обекти се регистрира наличието или отсъствието на отразен лъч. Наличието на прозрачен обект (напр. стъклени бутилки на конвейер) се регистрира по намаляването на интензитета на отразения лъч.

При по-голямата част от PS лъчът се формира от светодиод LED, работещ във видимата или инфрачервената област. Инфрачервените LED се препоръчват за значителни разстояния поради по-големия им к.п.д., който е предпоставка за повишаване на мощността на излъчване и намаляване на загряването им. Сензорите с LED във видимата област са по-лесни за настройка, пускане в експлоатация и проверка на работата. Общо предимство на LED е голямата надеждност, устойчивост на удари и вибрации и ниската цена. Напоследък в PS се използват и полупроводникови лазери (Laser Diode), които поради по-малкия си ъгъл на излъчване и по-голяма мощност могат да работят на по-големи разстояния. Същевременно много тънкият им лъч може да бъде прекъснат от твърди замърсяващи частици във въздуха.

Сензори за химични величини

Огромното количество вещества в природата и разликите в техните химични свойства са основните причини за голямото разнообразие на сензори за химични величини (Chemical Sensors) CS. Чрез тях се измерва концентрацията или се контролира достигането на определено гранично ниво на едно или няколко вещества в даден обект, които могат да бъдат в газообразна, течна или твърда фаза. От особена важност са летливите органични (Volatile Organic Compound) VOC и отровните съединения. Обикновено концентрацията се измерва в части на милион (part per million) ppm или проценти, но не са редки случаите на използване на части на милиард (part per billion) ppb, което означава множител 10-9 (напр. 10 ppb = 10.10-9). Характерни приложения на CS са за контрол на чистотата на водите (питейни и индустриални), определяне на съдържанието на алкохол в кръвта, измерване на концентрацията на отровни, избухливи и запалителни газове, контрол на отделените газове при работата на двигатели с вътрешно горене, измерване на нежелани утечки на газ от всякакъв вид резервоари и съдове (напр. за съхранение на петролни продукти и тези на охладителни системи), контрол на качеството на въздуха в производствени и жилищни помещения.

Според една от разпространените класификации съществуват 4 типа CS.

Оптични сензори. Те използват изменението на параметрите на светлинен лъч или електромагнитна вълна, дължащо се на взаимодействие с измерваното вещество.

Електрохимични сензори. Съдържат абсорбиращ слой, който поглъща част от измерваното вещество от околната среда. В резултат електрическа величина се променя пропорционално на концентрацията на веществото.

Массензори. Част от измерваното вещество се абсорбира от сензора и променя определен негов физичен параметър пропорционално на концентрацията на веществото.

Спектроскопични сензори. Спектроскопията използва свойството на всеки газ да поглъща част от спектъра на преминаващ през него светлинен лъч, като при точно определена дължина на вълната поглъщането е най-голямо. Именно тази дължина служи за определяне на вида на газа, т.е. този тип сензори са главно за откриване на определена съставка (или съставки) в дадена смес.

Сензори за механични величини

Сензорите за механични величини със своето разнообразие като принципи, конструкции и приложения представляват важен елемент от съвременните технически съоръжения.

Сензори за механични деформации

Сензорите за механични деформации (Strain Gauge) SG са широко разпространени, тъй като се използват и като съставна част на много други сензори за механични величини. Когато върху едно твърдо тяло се приложи на сила F се променят неговите геометрични размери - при натиск тялото се скъсява (Compressive Strain) c Dl, а при опън се удължава (Tensile Strain). Промени на размерите настъпват и при усукване (Torsion) и огъване (Flexion) на тялото. На всеки от тези 4 основни вида деформации съответства група от сензори за измерването им.

С най-голямо приложение за измерване са SG, които използват промяната на съпротивлението на някои материали при механични деформации. За пръв път това явление е било наблюдавано от Келвин през 1856 г. за метален проводник, но практическото му използване започва от 30-те години на миналия век. Предаването на деформациите от измервания обект на SG се осигурява чрез здравото им свързване. Специфични параметри на всеки SG са съпротивлението без механично усилие R, което е няколко стотици W и коефициентът на преобразуване (Gauge Factor) GF=(DR/R)/e, в който DR е промяната на съпротивлението поради механичната деформация.

В зависимост от използвания материал съществуват два вида SG. Металните сензори за механични деформации се състоят от тънък спираловидно нагънат проводник, като измерват деформации по неговата дължина, наречена ос на сензора (Sensor Axis). При сензорите за механични деформации с метално фолио, фолио от константан, хром-никелова, платинова или желязно-никелова сплав е нанесено върху пластмасова лента, залепвана върху измервания обект обикновено с епоксидна смола. Изброените метали се използват заради голямото им съпротивление, значителните допустими стойности на Dl и голямата издръжливост на умора - предпоставка за дълъг живот на SG. Полупроводниковите сензори за механични деформации имат аналогична структура, но използват пиезорезистивния ефект, представляващ промяна на съпротивлението на тънък полупроводников слой при деформация.

Сензори за сила (Force Sensor) FRS

Мерната единица за сила е нютон (N), която на маса 1 kg придава ускорение 1m/s2. Теглото Р на едно тяло по своята същност представлява силата, с която Земята го привлича (P=mg). Прилагането на сила F върху едно неподвижно тяло предизвиква в него относителна механична деформация e в съответствие с израза F= eS, където S е площта на тялото, върху която се прилага F и e е неговият модул на еластичност. Това означава определяне на F на основата на измерване на e, т.е. чрез SG, монтиран по направление на силата. Конструктивно FSR представляват метална кутия, съдържаща SG и някоя от схемите на свързването му.

Горната граница на обхвата FS е в границите от няколко N до няколко kN. Максимално допустимото надхвърляне на FS се определя от параметъра претоварване (Overload), който обикновено е между 1,5FS и 5FS. Типичните стойности на линейността на FRS са няколко процента, като в някои каталози се дава графична зависимост на изходното напрежение от F. При продължително прилагане на неизменна сила изходното напрежение на FRS нежелано се променя, което се отчита от параметъра дрейф (Drift) с типични стойности няколко %.

Сред индустриалните приложения на FRS са машини за опаковка и за изтегляне на лентови материали (хартиени, пластмасови метално фолио). В последния случай често се използва наименованието Tensometer.

Сензори за маса (Load Cell) LC

Всяко тяло има маса m, основната мерна единица за която в СИ е килограм (kg). Вместо маса по-разпространено е неправилното наименование тегло, както и сензори за тегло. Теглото като сила въздейства на SG, който е в основата на всеки LC. За правилно измерване на масата е необходимо оста на SG да е перпендикулярна на земната повърхност. Взимат се мерки корпусът да няма нежелани механични деформации, които да влияят на сензора и водят до грешка. Броят на сензорите често е повече от един, достига до 16 и обикновено се дава като параметър. Два са начините за действие на теглото върху сензора - натиск, при което наименованието е Compression Load Cell и опън с название Tension Load Cell. Значителна част от LC могат да измерват масата и в двата режима. Обхватът на измерване практически винаги започва от нулата, а стойността на FS е в много широки граници - от няколко kg до стотина тона. Общата грешка на измерване (Total Error) е няколко десети % от FS и понякога се дава като Nonlinearity and Hysteresis. Някои производители оценяват възможностите за продължителна работа на LC чрез параметъра гарантиран брой цикли (около 109) на изменение на натоварващата маса между двете крайни стойности на обхвата.

За измерване на големи по обем маси се използват теглови системи (Weighing System) с няколко LC, разположени обикновено в подпорите или до лагерите. Чрез подходяща сумираща схема последователно във времето се измерват напреженията на всички LC и се определя средноаритметичната им стойност. Приложенията на LC обхващат всякакви видове кантари и теглилки, силози, резервоари, саморазтоварващи се платформи, кабини на асансьори и лифтове, подемни кранове, преси, ковашки чукове. Това разнообразие е причина за съществуването на най-различни конструкции на LC. Те почти винаги включват електрическата схема за получаване на изходно напрежение, често придружена от други схеми, например за температурна компенсация.

Сензори за усукващ момент
(Torque Sensor) TS

Прилагането на сила F по допирателната към повърхността на вал създава усукващ момент с големина M=rF и посока тази на силата. Неговото измерение според СИ е нютон по метър (N.m). Принципът на измерване на усукващ момент е с помощта на SG (обикновено четири), прикрепени на подходящи места на оста. Съществуват два типа - сензори за усукващ момент на неподвижни валове (Reaction Torque Sensor) и сензори за усукващ момент на въртящи се валове (Rotary Torque Sensor).

Долната граница на обхвата и на двата типа обикновено е 0, а горната е между няколко mN.m и няколко стотици N.m. Изходното напрежение на сензорите зависи линейно от момента (реалното отклонение от линейната зависимост е около 0,1%). При сензорите за въртящи се оси като специфичен параметър се задава максималната скорост на въртене. Характерно приложение е контрол на спирачни системи.

Сензори за налягане (Pressure Sensor) PS

Величината налягане p=F/S изразява силата F, която действа перпендикулярно спрямо единица площ. В СИ мерната единица е паскал (Ра), която представлява сила 1 N, разпределена равномерно върху площ 1 m2.

Съществуват два начина за оценка на налягането. Измерването на абсолютното налягане означава определяне на неговата стойност спрямо пълния вакуум (нулево налягане). Понякога това се отбелязва чрез прибавяне на буквата V към означението на PS и на буквата “а” към мерната единица (psia) или на “аbsolute” (например mmHg absolute). Използваното наименование е сензори за абсолютно налягане (Absolute Pressure Sensor). Относителното налягане е разликата между абсолютното и атмосферното налягане, взето като опорно ниво. В последния случай се използва терминът атмосферна скала (Gauge Pressure), към означението на сензора се прибавя “А”, а към мерната единица - “g” (например psig) или “gage” (например Pa gauge). Наименованието е сензори за относително налягане (Gauge Pressure Sensor). Разновидност са сензорите за фиксирано относително налягане (Sealed Gauge Pressure Sensor), при които сравнението се прави с точно определено атмосферно налягане. Обикновено то е в момента на производство на PS, “затворено” в специална херметическа кухина. Масово се използва и измерването на разликата между две произволни налягания, наречена диференциално налягане (Differential Pressure), при което мерната единица става psid. Използва се наименованието диференциални сензори за налягане. Често даден PS има два или три режима на работа за измерване на налягането.

Обикновено изходният сигнал на PS е напрежение няколко стотици mV, но при необходимост от предаването му на разстояние се усилва до няколко V или се превръща в ток (най-чест




ЕКСКЛУЗИВНО

Top