PRIARTĖJIMO JUTIKLIŲ TYRIMAS

PRIARTĖJIMO JUTIKLIŲ TYRIMAS

Darbo tikslas: susipažinti su įvairių tipų priartėjimo jutiklių konstrukcijomis, veikimo principais, jungimo schemomis ir ištirti jų pagrindines charakteristikas.

Teorinės žinios. Jutikliais vadinami techniniai įtaisai, keičiantys vieną fizinį dydį (atstumą, greitį, temperatūrą, slėgį ir t.t.) į kitą, lengviau apdorojamą (dažniausiai į elektrinį ) signalą.. Jutikliai skirstomi į tokias grupes:

A grupė – jutikliai, formuojantys loginį signalą 1 arba 0, priklausomai nuo to, ar matuojamasis dydis yra pasiekęs nustatytą reikšmę ar ne.

B grupė – jutikliai, formuojantys vienetinį kodinį signalą arba impulsų seriją. Impulsų skaičius serijoje lygus matuojamojo dydžio reikšmei.

C grupė – jutikliai, formuojantys pirminį analoginį signalą be stiprintuvo.

D grupė – jutikliai, formuojantys analoginį signalą ir stiprinantys jį iki standartinių lygių: 0 10 V; ─5 +5 V; 1 10 V; 0 20 mA; ─10 +10 mA; 4 20 mA.

E grupė – jutikliai arba jutiklių sistemos, formuojančios standartinį signalą, suderinamą su nuosekliaisiais ar lygiagrečiaisiais interfeisais.

Priartėjimo jutikliai, naudojami loginėse automatikos sistemose, priklauso A grupei. Jie būna įvairių konstrukcijų ir įvairių veikimo principų, tačiau visiems jiems bendra tai, kad jų išėjimo signalas keičia savo loginę reikšmę (1 – 0) arba ( 0 – 1) tada, kai į jutiklio veikimo zoną patenka stebimasis objektas.

Pagal veikimo principą priartėjimo jutiklius galima suskirstyti į tris grupes:

a) – generatoriniu principu veikiantys jutikliai (induktyviniai, induktyviniai – magnetiniai, talpiniai);

b) – lokaciniu principu veikiantys jutikliai (optiniai, ultragarsiniai);

c) – kitaip veikiantys jutikliai (mechaniniai, herkoniniai, pneumatiniai).

Visiems generatoriniu principu veikiantiems jutikliams bendra tai, kad artėjant stebimajam objektui prie jutiklio, keičiasi jame įmontuoto aukšto dažnio generatoriaus virpamojo kontūro parametrai arba jo apkrova. Dėl to keičiasi signalas generatoriaus išėjime, kurį ir fiksuoja relinis elementas. Jutiklio relinis elementas įsijungia arba išsijungia, ir taip suformuojamas atitinkamas loginis signalas (1 arba 0) jutiklio išėjime.

Konstrukcijos paprastumu ir patikimumu išsiskiria induktyviniai priartėjimo jutikliai. Tokio jutiklio funkcinė schema parodyta 1 pav. Jutiklį sudaro:

1 – L – C virpesių generatorius; 

2 – demoduliatorius;

3 – relinis elementas;

4 – šviesos indikatorius;

1 pav. Induktyvinio priartėjimo jutiklio funkcinė schema

5 – galios stiprintuvas su apsaugos grandinėmis;

6 – maitinimo įtampa;

7 – nuolatinė (stabilizuota) įtampa;

8 – jutiklio aktyvioji zona;

9 – jutiklio išėjimo signalas.

Įjungus maitinimą, generatorius ima generuoti periodinius virpesius, kurių dažnis priklauso nuo L ir C : . Šis signalas maitina apviją, magnetinančią atvirą magnetinę grandinę, kuri jutiklio aktyviojoje zonoje 8 sukuria kintamąjį magnetinį lauką. Kai į šią zoną patenka laidus kūnas, jame kintamasis laukas indukuoja sūkurines sroves, kurios apkrauna generatorių ir dėl to jo generuojamų virpesių amplitudė mažėja. Kai laidininkas priartėja prie jutiklio jo poveikio atstumu, virpesių amplitudė sumažėja tiek, kad relinis elementas 3 išsijungia ir dėl to pasikeičia jutiklio loginio išėjimo 9 reikšmė. Jutiklio jautrumas priklauso nuo į aktyviąją zoną patenkančios medžiagos magnetinių savybių, jos laidumo bei stebimojo kūno matmenų.

Induktyviniai jutikliai geriausiai reaguoja į feromagnetikus (geležį, kobaltą, nikelį), nes feromagnetikai sustiprina kintamąjį magnetinį lauką. Nemagnetinių medžiagų (bronzos, aliuminio, vario) poveikio atstumai yra žymiai mažesni. Naudojant induktyvinius priartėjimo jutiklius, gali būti stebimos tik elektriškai laidžios medžiagos. Jie taip pat geriau reaguoja į didelę lyginamąją varžą turinčius laidininkus, kadangi juose susikuria didesni sūkurinių srovių sukelti energijos nuostoliai (I² R). Šie jutikliai yra ilgaamžiai, nejautrūs teršalams ir atsparūs vibracijoms. Jų apsaugos klasė IP 67.

Induktyvinių – magnetinių priartėjimo jutiklių funkcinė schema panaši į jau išnagrinėtą 1 pav. schemą. Ji skiriasi tik tuo, kad virpesių generatoriaus ritė uždėta ant uždarą magnetinę grandinę sudarančio magnetolaidžio. Šis magnetolaidis normalioje būsenoje yra neįsotintas. Kai prie jutiklio priartėja įmagnetintas kūnas (pvz., nuolatinis magnetas), magnetolaidis įsisotina, pasikeičia induktyvumas L, varža X_L = ωL, keičiasi ir kontūro srovė. Šį pokytį fiksuoja relinis elementas.

Talpiniai priartėjimo jutikliai veikimo principu panašūs į induktyvinius. Jų aktyviojoje zonoje yra kondensatorius, kurio talpa priklauso nuo įnešto į šią aplinką kūno dialektrinės konstantos є ir to kūno matmenų: , čia s ir d priartėjusio kūno plotas ir storis. Talpiniai jutikliai reaguoja į laidininkus ir į izoliatorius. Jie jautrūs aplinkos teršalams ir aktyviojoje zonoje esančiai drėgmei. Taikymo sritys – bet kokių kūnų, kurių >1, indikacija.

Lokaciniu principu veikiantys jutikliai fiksuoja atsispindėjusį nuo kliūties arba netrukdomai praėjusį tam tikrą atstumą signalą. Šio tipo jutikliai susideda iš dviejų pagrindinių dalių: siųstuvo ir imtuvo. Be to, jų sudėtyje yra tarpinis stiprintuvas, loginė schema, relinis elementas, galios stiprintuvas su apsaugos grandinėmis, šviesinis indikatorius ir maitinančios įtampos stabilizatorius.

Optiniai priartėjimo jutikliai fiksuoja šviesos spindulį, pasiųstą stebėjimo objekto link arba jo atspindį nuo to objekto. Jutiklio siųstuvą sudaro generatorius ir šviesą spinduliuojantis diodas, veikiantis raudonų ar infraraudonų spindulių diapazone. Imtuvą sudaro fotoelementas, jautrus tam bangos ilgiui, kurį generuoja siųstuvas. Šviesos diodai, per juos tekant elektros srovei, spinduliuoja tam tikro bangos ilgio šviesą. Bangos ilgis priklauso nuo diodui gaminti panaudotos puslaidininkinės medžiagos. Atsispindėjusiam šviesos spinduliui priimti ir jį paversti elektros srove naudojami silicio fotodiodai arba silicio fototranzistoriai. Priartėjęs stebimasis objektas užstoja imtuvui siųstuvo pasiųstą spindulį, o kai objektas pasišalina – spindulys apšviečia imtuvo fotoelementą. Tokiu būdu, priklausomai nuo to, ar yra stebėjimo zonoje objektas, ar ne, jutiklio išėjime formuojamas loginis 1 arba 0. Optiniais jutikliais negalima aptikti skaidrių, šviesą praleidžiandžių kūnų.

Ultragarsinių jutiklių veikimo proncipas panašus į optinių ir pagrįstas akustinių bangų spinduliavimu ir jų atspindžiu nuo stebimojo objekto į imtuvą. Ultragarso bangų nešiklis yra oras. Ultragarsinis siųstuvas skleidžia negirdimas, dažniausiai nuo 30 iki 300 kHz dažnio garso bangas. Jutikliuose naudojami magnetostrikciniai arba pjezoelektriniai ultragarsinių bangų generatoriai.

Funkcinė ultragarsinio priartėjimo jutiklio schema panaši į optinio, tik vietoje optinio signalo generatoriaus naudojamas ultragarso impulsų generatorius, o vietoje fotoimtuvo – ultragarso signalo imtuvas. Ultragarsinių jutiklių siųstuvas ir imtuvas montuojami viename korpuse, todėl svarbu, kad stebimieji objektai būtų atitinkamai orientuoti ir atsispindėjęs ultragarso signalas pasiektų imtuvą. Šio tipo jutiklių privalumas tas, kad jais galima aptikti ir skaidrius objektus, be to jie ne tokie jautrūs aplinkos teršalams.

Priartėjimo jutikliai schemose žymimi sutartiniais grafiniais simboliais, kurie parodyti 2 paveiksle.

2 pav. Priartėjimo jutiklių grafiniai simboliai: 1 – magnetinis; 2 – induktyvinis; 3 – talpinis; 4 – ultragarsinis; 5 – atspindžio optinis jutiklis, siųstuvas ir imtuvas atskiruose korpusuose, imtuvas su dviem loginiais išėjimais; 6 – optinis jutiklis, siųstuvas ir imtuvas viename korpuse, 2 loginiai išėjimai; 7 – vienkorpusinis optinis jutiklis su vienu loginiu išėjimu.

Jutikliai jungiami pagal trilaidę arba keturlaidę jungimo schemą. Jutiklių gnybtai ir jungiamieji laidai ženklinami pagal tarptautinį standartą EN 50044 spalvomis, raidėmis ir skaičiais. Spalvos kodas nustatomas pagal tarptautinį standartą IEC 757. Jutiklių jungiamųjų laidų paskirtis ir žymėjimas nurodyti 1 lentelėje.

1 lentelė. Priartėjimo jutiklių jungiamųjų laidų paskirtis ir žymėjimas

Užduotis

1. Susipažinti su generatoriniu principu veikiančių jutiklių (induktyvinių, induktyvinių – magnetinių, talpinių) ir lokaciniu principu (ultragarsinių, optinių) konstrukcijomis, jų jungimo schemomis ir veikimo principu.

2. Ištirti stebimojo kūno medžiagos įtaką induktyvinio ir talpinio jutiklio poveikio atstumui. Nustatyti šių jutiklių histerezį (įsijungimo ir išsijungimo atstumų nesutapimą) įvairių medžiagų objektams.

3. Ištirti optinio priartėjimo jutiklio su šviesolaidžiais jautrumą įvairioms medžiagoms, nustatyti jo histerezį.

4. Ištirti ultragarsinio jutiklio poveikio atstumą, voltmetru išmatuoti jo išėjimo signalo lygį, kai kliuties ultragarsui nėra ir esant kliučiai.

Jutiklių bandymo schemos

Jutiklių bandymo trilaidė ir keturlaidė jungimo schemos parodytos 3 pav., a ir b.

Į jutiklio aktyviąją zoną patekus stebimajam objektui, jutiklis paveikia, susijungia jo normalaiai atviras PNP kontaktas ir jo išėjime BK(4) atsiranda loginis signalas. Dėl to paveikia tarpinė įtampos relė KV, kuri susijungusiu savo kontaktu įjungia šviesos signalizaciją HL.

a)

b)

3 pav. Jutiklių bandymo trilaidė a) ir keturlaidė b) schemos

Ultragarsinio jutiklio bandymo schema parodyta 4 pav. Jutiklio išėjimo signalo matavimui naudojamas voltmetras PV, kurio skalė 0 – 30 V. Kol ultragarso kelyje kliuties nėra, jutiklis yra nepaveikęs, jo kontaktas yra normaliai uždaras ir išėjime yra loginis signalas. Dėl to dega signalinė lemputė HL ir voltmetras PV rodo įtampą.

4 pav. Ultragarsinio priartėjimo jutiklio bandymo schema

Darbo metodika

1. Parinkti reikiamus elementus ir sujungti 3 pav. parodytą jutiklių bandymo schemą. Visi tiriamieji jutikliai į schemą jungiami, laikantis tokios tvarkos: raudonas antgalis - +24 V; mėlynas – 0 V; juodas – loginis įtampos išėjimas; baltas – loginis srovės išėjimas.

2. Jutiklių poveikio jautrumui tirti naudojamas specialus pozicionavimo įtaisas su liniuotėmis, įgalinantis sklandžiai keisti tiriamojo objekto padėtį jutiklio atžvilgiu. Į pozicionavimo įtaiso laikiklį įstatyti tiriamosios medžiagos plokštelę ir, atitolinant bei priartinant ją prie jutiklio, liniuote išmatuoti poveikio atstumus x₁ ir x₂. Bandymo duomenis surašyti į 2 lentelę. Šioje lentelėje pažymėta: x₁ – jutiklio išsijungimo atstumas; x₂ – įsijungimo atstumas; Δx ═ x₁ – x₂ – histerezis.

2 lentelė. Jutiklių bandymo duomenys

3. Atliekant 4 užduotį, sujungti 4 pav. parodytą schemą. Įjungti ultragarsinio jutiklio maitinimo įtampą 24 V ir pilnai ištraukti pozicionavimo pozicionavimo įtaiso laikiklį. Tada ultragarso kelyje kliuties nėra, jutiklis nepaveikęs, voltmetru PV išmatuoti išėjimo saignalo lygį dviem atvejais: kai signalinė lemputė HL įjungta ir kai HL išjungta. Užrašyti matavimo duomenis.

4. Įdėti pozicionavimo įtaiso laikiklį, sudaranti ultragarsui kliutį. Tada jutiklis paveikia, jo kontaktas atsijungia ir HL gęsta.Užrašyti PV parodymą.

5. Išjungti maitinimo šaltinį, išmontuoti schemą ir sutvarkyti darbo vietą. Pagal gautus darbo rezultatus kiekvienam jutikliui suformuluoti konkrečias išvadas.

Ataskaitos turinys

1. Darbo pavadinimas, tikslas, užduotis, 1 pav., 3 pav. schemos.

2. Užpildyta 2 lentelė.

3. Konkrečios išvados.

Kontroliniai klausimai

Ką vadiname jutikliais ir į kokias grupes jie skirstomi?

Remiantis 1 pav. parodyta schema, paaiškinti induktyvinio priartėjimo jutiklio veikimo principą.

Paaiškinti talpinio jutiklio veikimo principą.

Kaip veikia optiniai priartėjimo jutikliai? Kokie jų grafiniai simboliai?

Apibūdinti šiame darbe nagrinėjamų jutiklių privalumus ir trūkumus.

Nubraižyti ir paaiškinti priartėjimo jutiklių grafinius simbolius.

Kas sudaro optinio priartėjimo jutiklio siųstuvą ir imtuvą?

Kaip ženklinami jutiklių jungiamieji laidai ir jų gnybtai?

Pateikite induktyvinio ir talpinio priartėjimo jutiklio techni- nę charakteristiką.