Датчики

В автоматических устройствах широко используют электрическую энергию, обладающую рядом преимуществ по сравнению с другими видами энергии: простота передачи на большие расстояния, возможность аккумулирования и т. д В то же время величины, характеризующие большинство процессов на транспорте, неэлектрические - скорость, перемещение, температура, давление и т. д. В связи с этим часто возникает задача преобразования разнообразных неэлектрических величин в электрические сигналы, изменяющиеся в соответствии с изменением неэлектрических величин. Элементы, осуществляющие указанную задачу, называют датчиками.

Электрические датчики, преобразующие неэлектрические входные величины в электродвижущую силу или напряжение, называют генераторными (активными) датчиками. Эти датчики не требуют постороннего источника питания. Датчики, в которых изменение неэлектрической величины сопровождается соответствующим изменением того или иного электрического параметра (индуктивности, емкости, сопротивления), называют параметрическими (пассивными). Параметрические датчики получают энергию от вспомогательного источника

К датчикам предъявляют следующие требования: непрерывность и линейность статической характеристики, высокая чувствительность, низкая инерционность, высокая надежность, минимальная стоимость, габаритные размеры и масса.

На отечественных и зарубежных железных дорогах датчики применяют в системах: полуавтоматической и автоматической блокировки для контроля занятости перегона и блок-участков;

автоматической локомотивной сигнализации, автоматического регулирования скорости и автоматического управления тормозами для получения информации о фактической скорости и местонахождении поездов;

переездной сигнализации и ограждающих устройствах для сигнализации о приближении поезда, контроля скорости приближения и движения подвижного состава;

горочной автоматизации для определения скоростей и ускорений отцепов для управления тормозными средствами, а также для контроля свободности стрелочных участков и измерения веса отцепов;

обнаружения перегревшихся букс, наличия ползунов на колесах в проходящих поездах для определения нарушения нормальных условий эксплуатации и регистрации числа осей, проходящих через контрольную точку;

автомашиниста для контроля проследования определенных точек пути, открытия дверей и т. д.;

пассажирской автоматики, например в турникетах, и т. д.

Рассмотрим наиболее распространенные типы датчиков.

Контактные датчики. В этих датчиках измеряемому механи-ческому перемещению соответствует замкнутое или разомкнутое состояние контактов, управляющих электрической цепью. Их применяют в системах автоматического контроля, сортировки деталей по размерам и автоматической сигнализации.

В системах железнодорожной автоматики распространение получили контактные датчики, выполняющие функции контроля проследования подвижного состава и называемые рельсовыми педалями, а также путевые датчики весомера. Педали выдают электрический сигнал при срабатывании контактов их выходных элементов в результате воздействия колеса на воспринимающий пружинно-рычажный механизм датчика.

Педаль рельсовая саморегулирующая просадочная типа ПСП-2 состоит из корпуса, который крепят на бетонном основании, оси с фрикционом, контактной системы с выводами, предохранительного кожуха и прихвата на рельсе, соединенном посредством рычага с осью. Когда колесо въезжает в зону действия педали и рельс просаживается на глубину 0,8 мм и более, рычаг поворачивает ось с коромыслом, переключая контакты педали и возвращая их в исходное положение при выходе колеса из этой зоны.

Действие мембранной педали основано на передаче давления от прогиба рельса под подвижным составом через нажимное приспособление на сжимаемую воздушную камеру, расположенную под рельсом, и воздействия вытесняемого из этой камеры воздуха на мембрану, с которой связана контактная система.

Рассмотренные контактные датчики применяют для счета осей подвижного состава только в ограниченном диапазоне нагрузок на ось и скоростей подвижного состава. Вне этих пределов педали не фиксируют группу проходящих осей или не выделяют отдельные оси.

Потенциометрические датчики. Для преобразования угловых или линейных механических перемещений в соответствующие изменения сопротивления, напряжения или тока служит потенциометрический датчик, который представляет собой резистор, включенный по схеме потенциометра.

На каркасе 6 из изоляционного материала размещена обмотка 4 (рис. 1.8, а). По кромке провода обмотки перемещается контакт щетки 5, приводимой во вращение осью 2. Движок 3 соединяет контакт щетки 5 с щеткой 1 токосъемного кольца 7. Ось вращения и движок 3 электрически изолированы друг от друга. Напряжение питания II подается на зажимы потенциометра, выходное напряжение и _вых снимается между одним из зажимов, на которые подается питание, и контактом, соединенным с токосъемным кольцом 7. Элемент, угловое перемещение которого а нужно преобразовать (рис. 1.8, б), механически связывается с осью 2, положение которой

Рис. 1.8. Конструкция кольцевого потенциометра (а), схема потенциометрического датчика (б) и его статическая характеристика (в)

определяет сопротивление г, а следовательно, выходное напряжение и _в ых и ток в нагрузке /„. В качестве нагрузки /?„ может быть использован электроизмерительный прибор, например вольтметр, отградуированный в значениях угловых перемещений а. Статическая характеристика потенциометрического датчика показывает зависимость выходного напряжения и _вых от контролируемого угла поворота а подвижного контакта щетки 5 И _вых = /(а) в режиме холостого хода, т. е. когда /?„ = оо (рис. 1.8, в, прямая 1) и при наличии нагрузки Я _я фоо ^кривая 2). Обычно стремятся к реализации линейной статической характеристики. Для этого необходимо выполнить соотношение где /? - сопротивление потенциометра.

Потенциометрические датчики используют на тепловозах в качестве датчиков давления масла. Под давлением масла мембрана, воздействующая на шток, рычажную передачу и далее подвижной-контакт потенциометра, прогибается.

Тензодатчики. Для измерения статических или динамических усилий и деформаций деталей служат тензодатчики. В основе работы тензодатчиков лежит свойство материалов изменять их электрическое сопротивление при их механической деформации -- тензо-эффект. В настоящее время широко используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензодатчики.

Материал тензодатчика характеризуется коэффициентом тензо-чувствительности

Наибольшей тензочувствительностью (К _тч = 100) обладают полупроводниковые материалы (германий, кремний). Тензодатчик приклеивают к детали таким образом, чтобы его продольная ось совпадала с направлением измеряемых усилий или деформаций. При растяжении или сжатии детали деформируется материал датчика, что приводит к изменению длины поперечного сечения и сопротивления датчика /?.- Датчик подключается к электрической схеме, часто выполненной в виде моста, и изменение сопротивления датчика преобразуется в электрический сигнал.

Терморезисторные датчики. Терморезистором называют проводник или полупроводник, электрическое сопротивление которого значительно меняется с изменением температуры окружающей среды. Качество терморезистора характеризуется его чувствительностью к изменению температуры и определяется температурным коэффициентом сопротивления а =

где йК-- относительное изменение сопротивления при изменении температуры на &t.

Чувствительность полупроводниковых терморезисторов на один-два порядка больше, чем металлических. Терморезисторные датчики используют на тепловозах для измерения температуры масла. Терморезистор подключают к мостовой схеме измерения, выходной электрический прибор которой проградуирован в градусах.

Емкостные датчики. Емкостными называют такие датчики, в которых измеряемая величина преобразуется в значение емкости непосредственно или при механических перемещениях. Известно, что емкость плоского конденсатора С пропорциональна диэлектрической проницаемости среды е и рабочей площади пластин 5 и обратно пропорциональна расстоянию между ними б:

С = 1 /4ле5/6.

Принцип действия емкостных датчиков основан на изменении одной из величин е, 5, б. Как правило, емкостные датчики включают в мостовые схемы переменного тока или колебательные контуры высокочастотных генераторов. Характерные области применения емкостных датчиков - прецизионные измерения механических перемещений (емкостные микрометры), измерение уровней, давлений и т,д.

Индуктивные датчики. Принцип их действия основан на изменении индуктивности или взаимоиндуктивности обмоток с сердечником при воздействии контролируемой величины. Их используют для измерения угловых и линейных перемещений, контроля размеров деталей и т. д. Такие датчики нашли наибольшее применение в устройствах железнодорожной автоматики.

Трансформаторно-компенсационная педаль типа ТКП -датчик счета осей для устройств автоматизации сортировочных станций. Чувствительным элементом педали (рис. 1.9) является дифференциальный измерительный трансформатор с Б-образным магнитопро-водом 3, на котором расположена питающая обмотка 5, подключаемая к источнику переменного тока, и вторичные - сигнальная 6 и компенсационная 4 - обмотки, включенные встречно. Сигнальная обмотка находится на крайнем стержне магнитопровода, расположенном свободным концом к рельсу 1, а компенсационная - на крайнем стержне, обращенном свободным концом внутрь колеи. Когда в зоне педали колеса 2 нет, магнитный поток, создаваемый питающей обмоткой, распределяется на два одинаковых потока, индуцируемые в сигнальной и компенсационной обмотках равные э.д.с. Благодаря встречному включению этих обмоток результирующая э.д.с. на выходных зажимах педали равна 0. При входе реборды колеса 2 в зону педали индуцируемая э.д.с. в сигнальной обмотке возрастает из-за увеличения магнитного потока Ф _с , а э.д.с. в компенсационной обмотке уменьшается вследствие уменьшения потока Ф _к . Сигнал переменного тока с выхода педали передается на вход исполнительного элемента, который предстайляет собой чувствительное поляризованное реле при скоростях движения 0-50 км/ч или электронный приемник при скоростях движения 0-250 км/ч.

Дифференциально-трансформаторный датчик типа ДТ, используемый на метрополитене в системе автомашинист для передачи целого ряда команд с пути на поезд, по принципу действия близок к датчику типа ТКП.

Датчик пути и скорости системы автоматического управления тормозами (САУТ) в качестве основного элемента содержит транзисторный автогенератор с задающим ТС-контуром и ротор, выполненный из стальной шестерни, которая имеет 16 зубцов, равномерно расположенных по окружности. При введении в зазор между базовой и коллекторными обмотками автогенератора металлической пластины уменьшается коэффициент обратной связи, вызывающий срыв генерации.

Датчик устанавливают в корпус нерегистрирующего скоростемера на буксе колесной пары. Ротор датчика приводится во вращение от шейки оси колесной пары. Каждый зубец при вращении ротора выполняет функцию металлической пластинки. За каждый оборот колесной пары датчик выдает 16 импульсов. Таким образом число импульсов, выработанных датчиком, пропорционально пройденному пути, а их частота - скорости движения. Коэффициент пропорциональности определяется диаметром колеса.

Магнитоэлектронный датчик типа МЭД применяют в устройствах реверсивного счета осей на пути. Датчик работает в диапазоне скоростей 0-200 км/ч. По принципу действия он близок к рассмотренному выше датчику пути и скорости.

Бесконтактная магнитная педаль типа ПБМ-56 (рис. 1.10, а) состоит из магнита 2 с насаженной на него катушкой 1. Его устанавливают на подошве рельса 3 внутри колеи. При приближении ферромагнитной массы колеса к педали уменьшается воздушный зазор магнитной цепи, вследствие чего увеличивается магнитный поток в сердечнике. В катушке индуцируется э.д.с., амплитуда которой пропорциональна скорости движения колеса, а полярность меняется: от прямой во время приближения колеса к центру магнита до обратной при его удалении (рис. 1.10, б). Импульсы на выходедатчика воздействуют на приемник: при низких скоростях І - ЗО км/ч - это поляризованное реле П, а при скоростях до 200 км/ч - электронная приставка с реле типа НМШ на выходе. Педаль ПБМ-56 применяют в устройствах горочной автоматики и в системах обнаружения перегретых букс ПОНАБ для счета осей.

Рис. 1.9. Трансформаторно-компенсационная педаль ТКП

Датчик скорости типа ДС используют в системе автоматического регулирования скорости на метрополитене и высокоскоростном наземном транспорте. Основными частями датчика (рис. 1.11) являются два постоянных магнита 4 и /, сердечник 2 и обмотка 3. Зубчатый ротор 5 вращается вместе с колесной парой. Датчик устанавливают на специальной крышке буксы подвижного состава. Магнитный поток постоянных магнитов замыкается через зубья ротора и при вращении колеса за счет изменения магнитного потока в сердечнике в обмотке наводится э.д.с., частота которой пропорциональна скорости вращения колеса, т. е. скорости движения поезда. Таким образом, датчик ДС преобразует скорость движения поезда в частоту электрических сигналов. Педаль ПБМ-56 и датчик ДС относятся к генераторным датчикам.

Оптические датчики. В качестве приемных элементов в оптических датчиках используют фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Действие фоторезисторов (рис. 1.12, а) основано на явлении внутреннего фотоэффекта, состоящего в том, что в результате поглощения света в полупроводнике фоторезистора появляются свободные электроны. Под действием приложенного напряжения первичные электроны приходят в движение и сталкиваются с атомами кристаллической решетки, вызывая дополнительный вторичный поток электронов. Таким образом, при освещении фоторезистора его проводимость резко увеличивается, что приводит к увеличению тока /„ в цепи нагрузки.

Фотодиоды работают так же, как и фоторезисторы (рис. 1.12, б). Изменение интенсивности излучения влияет на их сопротивление в непроводящем направлении. В фототранзисторах светом излучается базовая область. При этом действие светового потока (подобно действию напряжения, прикладываемого между базой и эмиттером в обычном транзисторе) приводит к увеличению тока эмиттера и соответственно выходного тока коллектора.

Оптические датчики используют в системах железнодорожной автоматики на метрополитене для контроля скорости движения поездов в районе остановочных платформ для повышения пропускной способности линий; в устройствах пассажирской автоматики

(турникеты); в устройствах контроля прохода в тоннель. На сортировочных горках оптические датчики контролируют свободность стрелочных участков при проследовании длиннобазных вагонов.

В системах, предназначенных для автоматического обнаружения перегретых букс подвижного состава ПОНАБ, применяют датчики, реагирующие на инфракрасное излучение от корпусов греющихся букс,- болометры. Эти датчики преобразуют инфракрасное излучение от нагретых букс в электрические сигналы. Приемные устройства срабатывают при достижении температуры шеек осей колесных пар определенного значения, зависящего от настройки прибора. В сочетании с рельсовыми педалями система ПОНАБ контролирует наличие нагретых букс и определяет их порядковый номер.