Practical work No.

Topic: Study of generator and parametric sensors.

The purpose of the work: To study the device, the principle of operation of generator and
parametric sensors.
Theoretical information.
The primary sources of information about the progress of the controlled process are sensors.
These are sensitive elements of automatic systems that convert controlled quantities into output signals
that are convenient for transmission or further processing.

Figure 3.1 Functional diagram of the electrical sensor.

The sensor consists of two parts: the sensing element and the converting device.
With any change in the intensity of the impact perceived by the sensor, a corresponding change
in the electrical signal of the sensor occurs.
The main property of any electrical sensor: the magnitude of the electrical signal in the sensor
circuit corresponds to the magnitude of the parameter that the sensor controls.
In automatic control devices, sensors are used to measure values that characterize the operation
of technological equipment or the quality of manufactured products.
In automatic control devices, the parameters of the technological process can be changed based
on sensor signals.
The main parameters of the sensors.
The assessment of the possibility of using sensors in various automation systems is carried out
according to the following main characteristics: static characteristic; inertia; sensitivity threshold;
error.
Classification of sensors.
By purpose, electrical sensors are divided into sensors of temperature; displacement; pressure;
speed; position, etc.
According to the method of energy conversion, they are generator and parametric.
Generator sensors.
In each of the generator sensors, non-electrical effects (heating, mechanical rotation, lighting)
are directly perceived by the sensor itself and, without an auxiliary electrical power source, causes an
electric current in its circuit.
Generator sensors are devices that, under the influence of non—electrical influence, create an
electrical signal without auxiliary power sources. These include: thermoelectric; photoelectric;
piezoelectric; tachometric, etc. The amount of current in the circuit of the generator sensor depends on
the intensity of non-electrical influences to which the sensor is exposed.
Thermoelectric sensors.
One example of thermoelectric sensors is a thermocouple. It consists of two dissimilar
conductors soldered at one of the ends.
 Fig. 3.2. The principle of operation of the thermocouple (a); its scheme (b).

The sensor operation is based on the phenomenon of the thermoelectric effect: if the junction
is heated, and the free ends of the thermocouple are connected to the galvanometer, then a thermo-
EMF will occur between the free ends of the sensor. Under the influence of thermo-EMF, an electric
current will appear in the circuit, causing a deviation of the galvanometer needle. With an increase in
the heating of the thermocouple, the current value in the galvanometer frame increases accordingly.
Conductors A and B of thermocouples can be made of dissimilar metals and their alloys
(copper—constantan, platinum—kopel, tungsten—molybdenum, etc.).
The value of thermo-EMF for various types of thermocouples ranges from tenths of volts to
tens of mV. For example, for a copper—constantan thermocouple, it varies from -4.3mV to -6.18 mV
when the junction temperature changes from +100 to -260 °C. The use of various metals in
thermocouples allows measuring temperatures ranging from -200 to +2500 ° C.
Thermocouples provide the conversion of thermal energy into electrical energy.
1. Piezoelectric sensors.
The principle of operation of the sensor is based on a direct piezoelectric effect. It consists in
the fact that some materials (natural — quartz, tourmaline; artificial — ferrotic salt, barium titanate,
etc.), when exposed to mechanical loads, form electric charges on the faces of their surfaces.

Figure 3.3 Operating principle of the piezoelectric sensor.

Piezoelectric sensors are structurally a set of several plates, selected in such a way that the
charges of the same-charging planes add up. This design solution allows you to increase the sensitivity
of the sensor.
 In piezoelectric sensors, variable mechanical forces acting on the sensor are converted into an
electric charge.
Piezoelectric sensors are used to measure the characteristics of fast—flowing processes-
vibrations, variable pressures, forces, etc.
2. Tachogenerator sensor.
One of the most common generator sensors are low-power electric machines operating in
generator mode. They can serve as an electric tachometer — a device for measuring the speed of
rotation of shafts. If the rotor of such a machine is brought into rotation, then a voltage arises on its
cheeks, the magnitude of which will be directly proportional to the speed of rotation.

Figure 3.4 Tachogenerator sensor (a); its characteristic (b); DC tachogenerator circuit
(c).

The tachogenerator sensor converts the angular velocity of rotation of its shaft ωexit into the
EMF of the tachogenerator eexit.
Depending on the output voltage, there are DC and AC tachogenerators. These sensors are used
for automation of lifting installations, conveyor lines, etc.
3. Photo sensors.
Photoelectric sensors are used in automation to convert various non-electrical quantities into
an electrical signal: mechanical movements, the speed of rotation of bodies, the size and number of
moving objects, illumination, transparency of liquid or gas media, etc.

Fig. 3.5 Device and circuit for switching on a selenium photocell

The luminous flux F, passing through a translucent film of gold 1 (electrode) and a locking
layer 2, hits the semiconductor 3 and creates a gate photoelectric effect. The second electrode is a steel
plate 4. The resulting EMF creates a current in an external electrical circuit with a load resistance Rn,
which serves as an electronic amplifier.
The advantages of valve photocells are the absence of the need for an external power source
and high sensitivity, the disadvantages are inertia, the need to use sensitive amplifiers, low efficiency.
In mining, photocells are used as an integral part of photoelectronic amplifiers and relays used
in automatic outdoor lighting control systems to determine air dustiness, level control, the relative
position of the excavator bucket and the vehicle, etc.
 Parametric sensors.
In the second group of sensors, the conversion of the input non-electrical value Ψ into the
output value, which is a parameter of the electrical circuit (resistance, inductance, capacitance) occurs
when a power source is switched on in their circuit.
Parametric sensors are devices that are included in the auxiliary power supply circuit and
change their electrical resistance under the influence of a non—electrical influence.
The magnitude of the current in the parametric sensor circuit depends on:
• the intensity of non-electrical influences to which the sensor is exposed;
• from the E. D. S. auxiliary power supply.

In engineering, sensors of this type are mainly used to measure linear displacements and
rotation angles of various mechanisms and devices. Most of them are connected to a circuit with a
source of constant EMF.
The electrical signal of the parametric sensor is the current strength in
the sensor circuit.
1. Active resistance sensors.
1) A potentiometric sensor is a variable resistor (potentiometer) consisting of a flat, cylindrical
or annular frame on which a thin wire of constantane or nichrome is wound, and a movable contact
(brush) having a mechanical connection with the object.

Fig. 3.6 Potentiometric sensor

When the object is moved, the active resistance of the circuit changes, and, consequently, the
current in the sensor circuit.
2) Thermistor sensors are based on the property of the sensing element—the thermistor to
change its resistance when the temperature changes. Thermistors are made of metals (copper, iron,
nickel, platinum, etc.) and semiconductors (mixtures of metal oxides — copper, manganese, cobalt,
sintered at high temperature).
A metal thermistor is made of wire, for example, copper, with a diameter of about 0.1 mm,
wound in a spiral on a mica, porcelain or quartz frame. Such a thermistor is enclosed in a protective
tube with output terminals, which is then placed at the temperature control point of the object (in the
bearing housing, motor, etc.).

Fig. 3.7 Thermistor sensor

When the temperature of the object changes, the active resistance of the output
 circuit changes.
With an increase in temperature ° C, the resistance R of metal thermistors increases, and most
semiconductor ones decrease. The advantage of semiconductor thermistors is their high thermal
sensitivity.
3) Thermistors. In thermistors, the thermosensitive element is made of a semiconductor
material. Usually a mixture of metal oxides is used — manganese, titanium, nickel, etc.
Semiconductor thermistors are manufactured in the form of small rods and disks with terminals
placed in protective metal cases. For example, the rods of copper-manganese MT-1 and cobalt-
manganese KMT-1 thermistors have a length of 12 mm and a diameter of 1.8 mm. To protect against
environmental influences, the thermistor is placed in the housing or varnished.
2. Inductive sensors.
These are sensors made in the form of coils (made of copper wire) with ferromagnetic cores.

а) б)

Fig. 3.8 Schemes of inductive sensors: a) displacement; b) thermometric.

In inductive sensors, mechanical movement of the control object node, heating of the core or
mechanical action on it is converted into a change in the reactance of the inductive choke coil and,
consequently, the current in the sensor circuit.
1) The magnetoelastic sensor (Figure 2.9) is based on the property of ferromagnetic materials
to change the magnetic permeability during their deformation—stretching (a) or compression (b).
Structurally, the magnetoelastic sensor is a coil 1 with a closed magnetic circuit 2. The
controlled force P, deforming the core, changes its magnetic permeability and, consequently, the
inductive resistance of the coil.

Figure 3.9 Diagram of a magnetoelastic strain gauge reacting to tension.

Magnetoelastic sensors are used to control forces (for example, when loading skips and
planting crates on fists), mountain pressures, etc. Such sensors are simple in design and reliable in
operation.
2) Reed sensors (Fig. 2.10) are used to monitor the position of objects. The sensing element of
the sensor — reed switch is an ampoule 1, inside which contact springs (electrodes) 2, made of
ferromagnetic material, are soldered. The tightness of the ampoule eliminates the harmful effects of
the environment on the contacts, increasing the reliability of their operation. The contacts of a reed
switch located at a controlled point in space are closed under the influence of a magnetic field created
by a permanent magnet or an electromagnet mounted on a movable object.
 Fig. 3.10 Diagram of the reed sensor

3. Capacitive sensors.
They are usually made in the form of capacitors with moving plates (plates). By moving one
plate relative to the other, the distance between them or the overlap area of the plates is changed
(Fig.2.12). The capacitance of the capacitor, and, consequently, the current in the circuit of the AC
voltage source change accordingly. Such capacitive sensors respond to mechanical movement.

Fig. 3. 11 Schematic diagrams of capacitive sensors:

a — with translational movement of plates; b — rotary type.

In engineering, sensors of this type are mainly used to measure linear displacements and
rotation angles of various mechanisms and devices.
The order of the work
Task 1. Draw a classification scheme for sensors.
Task 2. Fill in the table

№ Generator sensors schems Sensor Controlled value

3
4

Task 3. Fill in the table

№ Sensor schems Sensor Controlled Changing

value sensor
parameter
1

7
 Security questions.

1. What signal is supplied to the input of each automation element? What transformations are
performed inside it?
2. Which device can be called a sensor?
3. Give an example of a sensor and explain why you consider this device to be a sensor.
4. What groups are sensors divided into?
5. Based on what property of the described sensors can we conclude that they are generator
sensors?
6. What is the feature of generator sensors? Give examples.
7. What is the output value of the electrical signal of the generator sensor? Confirm this by
explaining how the sensor works.
8. What determines the magnitude of the signal in the circuit of the generator sensor?
9. What is the feature of parametric sensors? Give an example of a parametric sensor.
10. What determines the magnitude of the signal in the parametric sensor circuit?
11. Name the main property of the sensor.
 Практическая работа №2

Тема: Изучение генераторных и параметрических датчиков.

Цель работы: Изучить устройство, принцип работы генераторных и параметрических
датчиков.
Теоретические сведения.
Источниками первичной информации о ходе управляемого процесса являются датчики.
Это чувствительные элементы автоматических систем, преобразующие контролируемые
величины в выходные сигналы, удобные для передачи или дальнейшей обработки

Рис. 3.1 Функциональная схема электрического датчика.

Датчик состоит из двух частей: чувствительного элемента и преобразующего устройства.

При любом изменении интенсивности воздействия, воспринимаемого датчиком,
происходит соответствующее изменение электрического сигнала датчика.
Основное свойство всякого электрического датчика: величина электрического сигнала в
цепи датчика соответствует величине параметра, который контролирует датчик.
В устройствах автоматического контроля датчики служат для измерения величин,
характеризующих работу технологического оборудования или качество вырабатываемой
продукции.
В устройствах автоматического регулирования на основании сигналов датчиков могут
быть изменены параметры технологического процесса.
Основные параметры датчиков.
Оценку возможности использования датчиков в различных системах автоматики
производят по следующим основным характеристикам: статическая характеристика;
инерционность; порог чувствительности; погрешность.
Классификация датчиков.
По назначению электрические датчики делятся на датчики температуры; перемещения;
давления; скорости; положения и т.д.
По способу преобразования энергии – на генераторные и параметрические.
Генераторные датчики.
В каждом из генераторных датчиков неэлектрическое воздействие (нагрев, механическое
вращение, освещение) непосредственно воспринимается самим датчиком и без
вспомогательного электрического источника питания вызывает в его цепи электрический ток.
Генераторные датчики — это устройства, под влиянием неэлектрического воздействия
создающие электрический сигнал без вспомогательных источников питания. К ним относятся:
термоэлектрические; фотоэлектрические; пьезоэлектрические; тахометрические и т.д.
Величина тока в цепи генераторного датчика зависит от интенсивности неэлектрических
воздействий, которым подвергается датчик.
Термоэлектрические датчики.
Одним из примеров термоэлектрических датчиков является термопара. Она представляет
собой два разнородных проводника, спаянных у одного из концов.
 Рис. 3.2. Принцип действия термопары (а); его схема (б).

В основе работы датчика лежит явление термоэлектрического эффекта: если место спая
нагреть, а свободные концы термопары присоединить к гальванометру, то между свободными
концами датчика возникнет термо-ЭДС. Под действием термо-ЭДС в цепи появится
электрический ток, вызывающий отклонение стрелки гальванометра. С увеличением нагрева
термопары величина тока в рамке гальванометра соответственно возрастает.
Проводники А и Б термопары могут быть изготовлены из разнородных металлов и их
сплавов (медь—константан, платина— копель, вольфрам—молибден и др.).
Значение термо-ЭДС для различных типов термопар составляет от десятых долей Вольт
до десятков мВ. Например, для термопары медь—константан она изменяется от -4,3мВ до —
6,18 мВ при изменении температуры спая от +100 до —260 °С. Использование в термопарах
различных металлов позволяет измерять температуру в пределах от —200 до +2500 °С.
Термопары обеспечивают преобразование тепловой энергии в электрическую.
1. Пьезоэлектрические датчики.
Принцип действия датчика основан на прямом пьезоэффекте. Он заключается в том, что
некоторые материалы (природные — кварц, турмалин; искусственные — сегнетовая соль,
титанат бария и др.) при воздействии на них механических нагрузок образуют на гранях своих
поверхностей электрические заряды.

Рис. 3.3 Принцип действия пьезоэлектрического датчика.

Пьезоэлектрические датчики конструктивно представляют собой набор из нескольких
пластин, подобранных таким образом, чтобы заряды одноименно заряжающихся плоскостей
складывались. Такое конструктивное решение позволяет повысить чувствительность датчика.
В пьезоэлектрических датчиках происходит преобразование переменных механических
сил, действующих на датчик, в электрический заряд.
Пьезоэлектрические датчики применяют для измерения характеристик
быстропротекающих процессов—вибраций, переменных давлений, усилий и др.
2. Тахогенераторный датчик.
Одними из распространенных генераторных датчиков являются маломощные
электрические машины, работающие в режиме генератора. Они могут служить в качестве
электрического тахометра — прибора для измерения скорости вращения валов. Если ротор
такой машины привести во вращение, то на ее щетках возникает напряжение, величина
которого будет прямо пропорциональна скорости вращения.

Рис. 3.4 Тахогенераторный датчик (а); его характеристика (б); схема тахогенератора
постоянного тока (в).

Тахогенераторный датчик преобразует угловую скорость вращения его вала ω вх в Э.Д.С.

тахогенератора eвых .
В зависимости от выходного напряжения различают тахогенераторы постоянного и
переменного тока. Эти датчики применяют при автоматизации подъемных установок,
конвейерных линий и т.д.
3. Фотодатчики.
Фотоэлектрические датчики используются в автоматике для преобразования в
электрический сигнал различных неэлектрических величин: механических перемещений,
скорости вращения тел, размеров и количества движущихся предметов, освещенности,
прозрачности жидкой или газовой сред и т.д.

Рис. 3.5 Устройство и схема включения селенового фотоэлемента

Световой поток Ф, проходя через полупрозрачную пленку из золота 1 (электрод) и

запирающий слой 2, попадает на полупроводник 3 и создает вентильный фотоэффект. Вторым
электродом служит стальная пластина 4. Возникшая э. д. с. Еф создает ток во внешней
электрической цепи с сопротивлением нагрузки Rн, в качестве которой служит электронный
усилитель.
Достоинствами вентильных фотоэлементов являются отсутствие необходимости во
внешнем источнике питания и большая чувствительность, недостатками — инерционность,
необходимость применения чувствительных усилителей, малый кпд.
В горном деле фотоэлементы применяют как составную часть фотоэлектронных
усилителей и реле, используемых в системах автоматического управления наружным
освещением, для определения запыленности воздуха, контроля уровня, взаимного положения
ковша экскаватора и транспортного средства и т. д.
 Параметрические датчики.
Во второй группе датчиков преобразование входной неэлектрической величины Ψ в
выходную величину, являющуюся параметром электрической цепи (сопротивление,
индуктивность, ёмкость) происходит при включении в их цепь источника питания.
Параметрические датчики—это устройства, включаемые в цепь вспомогательного
источника питания и изменяющие свое электрическое сопротивление под влиянием того или
иного неэлектрического воздействия.
Величина тока в цепи параметрического датчика зависит:
от интенсивности неэлектрических воздействий, которым подвергается датчик;
от э. д. с. вспомогательного источника питания.

В технике датчики данного типа применяются в основном для измерения линейных

перемещений и углов поворота различных механизмов и приборов. Большинство их
включается в цепь с источником постоянной э. д. с.
Электрическим сигналом параметрического датчика является сила тока в цепи
датчика.
1. Датчики активного сопротивления.
1) Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор
(потенциометр), состоящий из плоского, цилиндрического или кольцевого каркаса, на который
намотана тонкая проволока из константана или нихрома, и подвижного контакта (щетки),
имеющего механическую связь с объектом.

Рис. 3.6 Потенциометрический датчик

При перемещении объекта изменяется активное сопротивление цепи, и, следовательно,

ток в цепи датчика.
2) Терморезисторные датчики основаны на свойстве воспринимающего элемента—
терморезистора изменять своё сопротивление при изменении температуры. Терморезисторы
изготавливают из металлов (медь, железо, никель, платина и др.) и полупроводников (смеси
окислов металлов — меди, марганца, кобальта, спекаемых при высокой температуре).
Металлический терморезистор выполняется из проволоки, например, медной, диаметром
примерно 0,1 мм, намотанной в виде спирали на слюдяной, фарфоровый или кварцевый каркас.
Такой терморезистор заключен в защитную трубку с выводными зажимами, которая затем
размещается в точке контроля температуры объекта (в корпусе подшипника, двигателя и т. п.).
 Рис. 3.7 Терморезисторный датчик
При изменении температуры объекта изменяется активное сопротивление выходной
цепи.
С ростом температуры °С сопротивление R металлических терморезисторов возрастает,
а большинства полупроводниковых — уменьшается. Достоинством полупроводниковых
терморезисторов является их высокая термочувствительность.
3) Термисторы. В термисторах термочувствительный элемент выполнен из
полупроводникового материала. Обычно используют смесь оксидов металлов — марганца,
титана, никеля и др.
Полупроводниковые терморезисторы изготовляются в виде небольших стержней и
дисков с выводами, размещаемых в защитных металлических чехлах. Например, стержни
медно-марганцевого ММТ-1 и кобальто-марганцевого КМТ-1 терморезисторов имеют длину
12 мм и диаметр 1,8 мм. Для защиты от влияния окружающей среды термистор помещают в
корпус или покрывают лаком.
2. Индуктивные датчики.
Это датчики, выполненные в виде катушек (из медной проволоки) с ферромагнитными
сердечниками.

а) б)

Рис. 3.8 Схемы индуктивных датчиков: а) перемещения; б) термометрического.

В индуктивных датчиках механическое перемещение узла объекта управления, нагрев

сердечника или механическое воздействие на него преобразуется в изменение реактивного
сопротивления индуктивной катушки дросселя и, следовательно, силы тока в цепи датчика.
1) Магнитоупругий датчик (рис. 2.9) основан на свойстве ферромагнитных материалов
изменять магнитную проницаемость при их деформации—растяжении (а) или сжатии (б).
Конструктивно магнитоупругий датчик представляет собой катушку 1 с замкнутым
магнитопроводом 2. Контролируемое усилие Р, деформируя сердечник, изменяет его
магнитную проницаемость и, следовательно, индуктивное сопротивление катушки.
 Рис. 3.9 Схема магнитоупругого тензометрического датчика, реагирующего на
растяжение.

Магнитоупругие датчики используются для контроля усилий (например, при загрузке

скипов и посадке клетей на кулаки), горных давлений и т. п. Такие датчики просты по
устройству и надежны в работе.

2) Герконовые датчики (рис. 2.10) используются для контроля положения объектов.

Воспринимающий элемент датчика — геркон представляет собой ампулу 1, внутри которой
запаяны контактные пружины (электроды) 2, изготовленные из ферромагнитного материала.
Герметичность ампулы исключает вредное воздействие среды на контакты, повышая
надежность их работы. Контакты геркона, расположенного в контролируемой точке
пространства, замыкаются под действием магнитного поля, которое создается постоянным
магнитом или электромагнитом, установленным на подвижном объекте.

Рис. 3.10 Схема герконового датчика

3. Ёмкостные датчики.
Их обычно выполняют в виде конденсаторов с перемещающимися обкладками
(пластинами). Перемещая одну пластину относительно другой, изменяют расстояние между
ними или площадь перекрытия пластин (рис.2.12). Емкость конденсатора, а, следовательно, и
ток в цепи источника переменного напряжения соответственно изменяются. Такие емкостные
датчики реагируют на механическое перемещение.

Рис. 3. 11 Принципиальные схемы емкостных датчиков:

а — с поступательным перемещением пластин; б — поворотного типа.

В технике датчики данного типа применяются в основном для измерения линейных

перемещений и углов поворота различных механизмов и приборов.

Порядок выполнения работы

Задание 1. Начертите схему классификации датчиков.
Задание 2. Заполнить таблицу

№п/п Схемы генераторных датчиков Датчик Контролируемая

величина
 1

Задание 3. Заполнить таблицу

№п/ Схема датчика Датч Контролируе Изменяющи

п ик мая величина йся
параметр
датчика
1

3
 4

Контрольные вопросы.

1. Какой сигнал подают на вход каждого элемента автоматики? Какие преобразования

выполняются внутри него?
2. Какое устройство можно назвать датчиком?
3. Приведите пример датчика и объясните, почему Вы считаете данное устройство датчиком.
4. На какие группы делятся датчики?
5. На основании какого свойства описанных датчиков можно сделать вывод, что они являются
генераторными датчиками?
6. В чём особенность генераторных датчиков? Приведите примеры.
7. Какая выходная величина является электрическим сигналом генераторного датчика?
Подтвердите это объяснением принципа работы датчика.
8. От чего зависит величина сигнала в цепи генераторного датчика?
9. В чём особенность параметрических датчиков? Приведите пример параметрического
датчика.
10. От чего зависит величина сигнала в цепи параметрического датчика?
11. Назовите основное свойство датчика.