Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В

ление комплексом, технологическими процессами. Структурная схема САУ представлена на рис. 4.1, где ЗЭ – задающий элемент, СЭ – сравнивающий элемент, ЧЭ – преобразующий элемент (иногда объединяется вместе с датчиком), УЭ – усилительный элемент, ИЭ – исполнительный элемент, ОУ – объект управления, КУ – местная обратная связь (ОС), ГОС – главная ОС, РО – регулирующий орган. Для каждой САУ составляются алгоритм функционирования и алгоритм управления.

Алгоритм функционирования – это совокупность предписаний, правил или систематических зависимостей, определяющих правильное выполнение технологического процесса в каком-либо устройстве или комплексе.

Алгоритм управления – это совокупность предписаний, определяющих характер управляющих воздействий на объект с целью осуществления управления или заданного алгоритма функционирования.

Рассмотрим элементы автоматики с позиции применения электронных устройств.

Рис. 4.1

В системах автоматики широко применяются различные электронные датчики, наиболее широко применяемые из них представлены в данной главе.

4.1. Пьезоэлектрические датчики

141

Пьезоэлектрические датчики используются в автоматике при измерении усилий, давления, вибраций, для ориентации устройств. В них используется пьезоэлектрический эффект, сущность которого заключается в том, что под действием приложенного усилия в гранях некоторых кристаллов (кварца, титана бария, турмалина, сегнетовой соли и др.) появляются электрические заряды (прямой пьезоэффект). При внесении пьезоэлемента в электрическое поле он деформируется (обратный пьезоэффект). В пьезоэлементах различают три оси: оптическую Z и перпендикулярные к ней электрическую (пьезоэлектричкую) Х и механическую У. При действии силы Р вдоль оси Х (сжатие или растяжение), на гранях, перпендикулярных к оси Х, возникают разнополярные электрические заряды Q (продольный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси У на тех же гранях также возникают разнополярные электрические заряды (поперечный пьезоэффект). При действии силы вдоль оси Z пьезоэффект отсутствует. Количественно пьезоэффект оценивается пьезомодулем k0. При продольном пьезоэффек-

и Sx площади граней, перпендикулярные к осям Х и У.

Рис. 4.2

142

Пьезоэлемент представляет собой пластину кристалла с обкладками 2 на гранях Sx (см. рис. 4.2а). Напряжение между обклад-

– диэлектрическая постоянная материала пластины, d – толщина пластины.

Выпускаются пьезоэлементы, работающие на сжатие (рис. 4.2а), на изгиб (рис. 4.2в, г), на сдвиг (рис. 4.2д). Пьезоэлемент, работающий на изгиб, состоит из одинаковых, склеенных между собой, пластин пьезоматериала, между которыми находится металлическая пластина. Пьезоэлементы, работающие на сдвиг, выполняют в виде колец 1, в которые вклеен внутренний электрод 2,и наклеен внешний электрод 3.

Если приложенная сила Рх постоянна, то с течением времени происходит стекание заряда и напряжение с датчика уменьшается по экспоненциальному закону. Поэтому пьезоэлектрические элементы применяют в основном для измерения усилий, изменяющихся с частотой выше 15Гц. Выходное напряжение пьезоэлектрических преобразователей обычно невелико, поэтому в системах автоматики они используются с усилителями.

4.2. Фотоэлектрические датчики

Широкое применение при автоматизации различных производственных процессов находят фотоэлектрические устройства, преобразующие световой поток в электрический сигнал. Выпускаются три вида таких преобразователей: с внешним фотоэффектом (вакуумные или газонаполненные); с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и вентильные (полупроводниковые).

Рис. 4.3

143

В системах автоматики необходимо оперативное обнаружение посторонних предметов в рабочей зоне. Для этих целей может быть применено бесконтактное радиотехническое устройство. Воспринимающая часть 1 этого устройства (рис. 4.4) представляет транзисторный автогенератор метровых волн с колебательной системой. При наличии вблизи колебательной системы автогенератора предмета изменяется его комплексное сопротивление, что вызывает дополнительные потери высокочастотной энергии, восполняемые источником питания. Вследствие этого внутреннее сопротивление автогенератора увеличивается и напряжение в точках 2 и 5 растет, что приводит к возрастанию величины тока через измерительный стабилитрон 4. Ток, протекающий через стабилитрон 4, открывает его и вызывает срабатывание исполнительного реле 3, которое включает световую или звуковую сигнализацию.

Рис. 4.4

4.4.Датчики температуры

Всистемах автоматики широко используются теплоэлектрические датчики температуры: термопары, металлические полупроводниковые терморезисторы, полупроводниковые диоды и транзисторы. Такие датчики преобразуют изменение температуры в изменение ЭДС, электрического сопротивления, тока. Термопары представляют собой спай из двух разнородных металлических проводников или полупроводников, в которых под действием температуры возникает термоЭДС. Чувствительность термопары показывает величину изменения термоЭДС при изменении температуры на

145