566

Сдвиньте каретку к центру диска, чтобы датчик обнаруживал его внутренние три сегмента, и запишите частоту переключения в табл. 2. С помощью ручки «Управление скоростью» медленно, учитывая инерционность всей системы датчика, добейтесь того, чтобы индицировалась частота переключения fs = 150 Гц, измеряемая датчиком, и внесите это значение в табл. 2.

Далее сдвиньте каретку к краю диска, чтобы датчик снова обнаруживал его внешние сегменты, и запишите частоту переключения в табл. 2. Вычислите частоту вращения сегментного диска n при частоте переключения fs и количестве сегментов N.

Таблица 2

Результаты 2-го эксперимента

Эксперимент 3. Кривая отклика индуктивного датчика

Постройте кривую отклика (зависимость расстояния переключения s от бокового смещения x образца) для индуктивного датчика, используя образцы материалов из стали St37 и латуни.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема (рис. 10).

Вставьте индуктивный датчик в каретку, направив его чувствительный элемент влево. Вставьте образец из стали St37 в держатель таким образом, чтобы образец был обращен к чувстви-

тельному элементу датчика.

Внимание! При помощи регулятора управлять перемещением каретки; не допускать давления датчика на образец.

Медленно перемещайте каретку с датчиком по направлению к образцу, пока датчик не коснется образца (расстояние s = 0 мм).

Передвиньте образец так, чтобы он полностью закрывал чувствительный элемент датчика, и убедитесь в том, что объект расположен перпендикулярно оси датчика.

Совет. Положение на направляющей линейке удобнее определять, ориентируясь на правую сторону каретки.

Сдвигайте образец в зажиме держателя вниз в направлении, перпендикулярном оси датчика, до тех пор, пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите измеренные зна-

чения x1 и p1 = p0 (n = 1).

Внимание! Вертикальные перемещения образца записываются как значения xn, а горизонтальное перемещение каретки — как значение pn.

Сдвиньте образец обратно (вверх) примерно на 2 мм в направлении, перпендикулярном оси датчика, и запишите полученное расстояние x2 (n = 2) в табл. 3.

Теперь вручную медленно отводите каретку с датчиком от образца до тех пор, пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите значение p2 (n = 2).

Повторите предыдущий шаг, пока стальной образец не вернется в исходное положение x0. Запишите все значения расстояния xn в табл. 3. Повторите эксперимент с латунным образцом.

Вычислите все значения расстояния переключения s по измеренным значениям pn (s = pn – p0) и запишите их в табл. 3.

12

По полученным значениям постройте график зависимости расстояния переключения датчика s от бокового смещения образца x (рис. 11).

Рис. 10. Экспериментальная установка для построения кривой отклика индуктивного датчика

Рис. 11. Система координат для изображения кривой отклика индуктивного датчика

Контрольные вопросы

1.Принцип действия индуктивных датчиков аналогового и дискретного типов, назовите их функциональные блоки.

2.Применение датчиков с учетом особенностей их работы.

3.Поясните зависимость индуктивности чувствительного элемента датчика от расстояния, отделяющего его от контролируемого объекта, от материала объекта, взаимного расположения объекта и чувствительного элемента.

4.При помощи какого индуктивного датчика контролируется частота вращения объекта?

5.По какому принципу «работает» измерительная схема индуктивного датчика?

6.По каким признакам можно распознавать контролируемый материал при помощи аналогового индуктивного датчика?

7.Конструкция чувствительного элемента индуктивного датчика и особенности его преобразования.

13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Теоретические основы

Датчики магнитного поля реагируют на магнитные поля постоянных магнитов или электромагнитов. Действие этих датчиков основано на разных физических явлениях, связанных с магнетизмом. К датчикам магнитного поля относятся, например, датчики Холла, магниторезистивные датчики и зонды с насыщением сердечника.

В датчиках Холла и магниторезистивных датчиках имеет место поперечное отклонение потока электронов в магнитном поле (эффект Холла). Эти датчики не совсем подходят для применения в конечных и путевых выключателях, вследствие реагирования характеристик используемых в них полупроводников на влияние температуры.

Более стабильны в работе зонды с насыщением сердечника, характеризующиеся к тому же низкими потерями на вихревые токи и невысоким гистерезисом.

Рис. 1. Магнитное поле постоянного магнита

На рис. 1 показано, что силовые линии магнитного поля (линии магнитной индукции) вне постоянного магнита выходят из северного полюса и входят в южный полюс. На границе раздела двух различных сред с разными значениями магнитной проницаемости µ линии магнитного поля искажаются вследствие изменения нормальных составляющих вектора магнитной индукции (рис. 2).

Рис. 2. Преломление силовых линий магнитного поля на границе раздела двух сред

Изменение направления линий магнитной индукции определяется в соответствии со следующей формулой:

tgβ/tgγ = µ1/µ2,

где µ — магнитная проницаемость.

Этот эффект может быть использован для обнаружения объектов из ферромагнитных материалов (например, выполненных из стали St37). На рис. 1 магнитное поле постоянного магнита деформируется стальной пластиной St37, и эта деформация может быть измерена подходящим датчиком магнитного поля.

Датчики Холла

В датчиках Холла поперечное отклонение магнитным полем потока электронов через пластинку полупроводника сопровождается появлением напряжения Холла UH между ее сторонами (рис. 3). Причиной отклонения электронов в магнитном поле является действие силы Лоренца, приводящее к тому, что на одной стороне пластинки возникает недостаток электронов, а на другой — их избыток. Это, в свою очередь, приводит к появлению поперечной разности потенциалов – напряжения Холла:

14

UH = RHIB/s,

где RH — коэффициент Холла; I — сила тока; B – магнитная индукция; s – толщина пластинки.

Рис. 3. Иллюстрация эффекта Холла

Магниторезистивные датчики

Принцип действия магниторезистивных датчиков основан на изменении электрического сопротивления магнитомягких сплавов под действием продольного или поперечного магнитного поля. Относительное изменение электрического сопротивления в таких датчиках может достигать нескольких процентов (при комнатной температуре и в зависимости от материала).

Магниторезистивные датчики, известные как полевые пластины, являются полупроводниковыми элементами, в которые встроена система параллельных микроиголок, например из железа Fe или антимонида никеля NiSb (рис. 4). Проводимость чувствительного элемента зависит от магнитного поля, которое вызывает увеличение электрического сопротивления.

Рис. 4. Принцип работы магниторезистивного датчика

Магниторезистивные датчики применяются преимущественно для измерения магнитных полей постоянного и переменного тока. Они обладают большей чувствительностью по сравнению с датчиками Холла и могут использоваться в более широком температурном диапазоне.

Зонды с насыщением сердечника

В зондах с насыщением сердечника используется нелинейность кривой намагничивания магнитомягких материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью. Магнитное сопротивление таких материалов в области намагничивания, далекой от насыщения, мало, но возрастает с выходом в область насыщения, что можно зафиксировать электрическими методами.

Основное применение зондов с насыщением сердечника — определение силы слабых магнитных полей.

Зонд состоит из одного или двух сердечников в форме стержня из материала с высокой магнитной проницаемостью или тороидального сердечника (рис. 5). Материал сердечника периодически перемагничивается переменным током, проходящим через обмотку подмагничивания. Это вызывает появление ЭДС в сигнальной обмотке зонда.

Другим вариантом исполнения зонда с насыщением сердечника является ферритовый сердечник с обмоткой и ярмом (рис. 6). В таком зонде используется резонансная цепь, как в индуктивном датчике. Однако вследствие значительного ослабления поля, вызванного ярмом, зонд проявляет себя как емкостный датчик (т.е. совершенно иначе по сравнению с индуктивным датчиком). Без внешнего магнитного поля колебания в электрической цепи не возникают из-за поглощения энергии ярмом. Если в зоне действия зонда появляется внешнее магнитное поле, ярмо быстро переходит в состояние насыщения и сопротивление магнитной цепи резко возрастает. В электрической цепи возникают колебания (рис. 7).

15

Датчик

Рис. 9. Поле для определения кривой отклика датчика магнитного поля

Далее установите магнит в положение, показанное на рис. 10, в, и снова постройте кривую откли-

ка.

Рис. 10. Варианты расположения большого магнита

Эксперимент 2. Расстояние переключения

Определите влияние силы постоянных магнитов на расстояние переключения датчика магнитного поля.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема.

Вставьте датчик в каретку таким образом, чтобы его чувствительный элемент был направлен влево.

Закрепите плату с большим постоянным магнитом в держателе испытательных образцов таким образом, чтобы магнит был обращен к датчику.

Медленно перемещайте датчик по направлению к магниту, пока датчик не коснется магнита (расстояние s = 0 мм). Запишите в табл. 1 показания, снятые со шкалы направляющей линейки, соответствующие начальному положению (нулю) p0 каретки в масштабе измерений.

Теперь медленно удаляйте датчик от постоянного магнита, пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите величину расстояния выключения pa.

Снимите с платы большой постоянный магнит и закрепите малый магнит. Повторите описанную выше процедуру.

Вычислите расстояние переключения s = pa – p0 и запишите полученное значение в табл. 1. Обобщите полученные результаты и сделайте выводы.

17

Таблица 1

Эксперимент 3. Гистерезис переключения

Определите расстояние между точками включения и выключения (гистерезис переключения) для датчика магнитного поля при использовании двух различных постоянных магнитов.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема.

Вставьте датчик в каретку таким образом, чтобы его чувствительный элемент был направлен влево.

Закрепите плату с большим постоянным магнитом в держателе испытательных образцов таким образом, чтобы магнит был обращен к датчику.

Медленно перемещайте датчик по направлению к магниту, пока датчик не переключится (включается светодиод). Запишите значение расстояния включения датчика pe в табл. 2.

Теперь медленно удаляйте датчик от постоянного магнита, пока датчик не переключится (пока не погаснет светодиод), и запишите величину расстояния выключения датчика pa (если необходимо, проведите несколько измерений и запишите их результаты).

Вычислите разность положений включения и выключения w = = pa – pe и запишите результат в табл. 2.

Повторите описанную процедуру при использовании малого постоянного магнита.

Вычислите гистерезис переключения H в процентах от его значения при номинальном расстоянии переключения sn = 60 мм.

Обобщите полученные результаты и сделайте выводы.

Таблица 2

Результаты 3-го эксперимента

Эксперимент 4. Переключательное действие. Влияние материала

Проверьте переключательное действие датчика магнитного поля при работе с различными материалами.

Процедура Подключите датчик к панели «Датчики приближения» в соответствии с выводами кабельного

разъема.

Вставьте датчик в каретку таким образом, чтобы его чувствительный элемент был направлен влево.

Закрепите плату с образцом из стали St37 в держателе таким образом, чтобы образец был обращен к датчику.

Переместите датчик в его начальное положение, примерно в 70 мм от образца.

Медленно перемещайте каретку с датчиком по направлению к образцу, пока датчик не переключится (включается светодиод) или не коснется образца.

Теперь перемещайте датчик обратно к его начальному положению.

Повторите описанную процедуру с другими образцами материалов, указанных в табл. 3. Запишите все результаты эксперимента в табл. 3 и сделайте выводы о переключательном дей-

ствии датчика магнитного поля.

Таблица 3

Результаты 4-го эксперимента

St37

18

Латунь

Алюминий

Синтетический материал

Постоянный магнит (большой)

Эксперимент 5. Траектория изменения тока датчика магнитного поля NAMUR

Покажите, что траектория изменения тока датчика магнитного поля NAMUR зависит от силы постоянного магнита.

Процедура Установите держатель испытательных образцов в сегментный диск таким образом, чтобы

стрелки диска и панели были направлены друг на друга. Закрепите в держателе плату с большим постоянным магнитом.

Вставьте датчик в каретку таким образом, чтобы его чувствительный элемент был направлен влево.

Перемещайте каретку влево, пока датчик не коснется магнита. Установите образец по оси датчика.

Подключите датчик к оконечному усилителю, как показано на рис. 11. При этом в гнездо 2 усилителя должен быть вставлен голубой провод (белый провод остается свободным).

Рис. 11. Схема подключения датчика магнитного поля NAMUR к оконечному усилителю

Подключите миллиамперметр с пределом измерения 20 мА в цепь между усилителем и датчиком (см. рис. 11).

Перемещайте каретку с датчиком вправо и считывайте значения силы тока для расстояний между датчиком и образцом, указанных в табл. 4. Запишите эти значения в данную таблицу.

Определите силу тока в точке переключения и запишите значение в табл. 5.

Таблица 4

Значения силы тока в функции от расстояния образца от датчика

19

Таблица 5

Значения силы тока переключения датчика

Примечание. (1)* — точка переключения при приближении; (2)* — точка переключения при удалении.

Далее снова переместите каретку влево и определите силу тока в точке переключения.

Теперь замените большой магнит малым. Повторите эксперимент для малого постоянного магнита.

Изобразите траектории изменения тока при использовании обоих постоянных магнитов на координатной сетке (рис. 12).

Отметьте на графике (см. рис. 12) точки переключения при перемещении датчика по направлению от образца и к образцу.

Рис. 12. Система координат для изображения траектории изменения тока датчика магнитного поля NAMUR

Подключение оконечного усилителя производить в соответствии с данными, представленными в табл. 6.

Таблица 6

Контрольные вопросы

1.Поясните выполненные эксперименты и выводы.

2.Классификация датчиков магнитного поля.

3.Принцип действия и устройство датчика магнитного поля.

4.Назовите магнитные характеристики материалов и поясните петлю гистерезиса.

5.Поясните кривые отклика датчика магнитного поля для различных положений постоянного магнита.

6.Назовите область применения датчиков магнитного поля.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Устройство и принцип действия

Волоконно-оптические датчики представляют собой отдельную группу оптических датчиков и отличаются от других типов оптических датчиков наличием в их конструкции волоконной оптики, позволяющей обеспечить высокое пространственное разрешение или разместить датчик в ограниченном, труднодоступном пространстве.

20