По конструкции и принципу действия чувствительного элемента датчики подразделяют на контактные и бесконтактные. При этом в контактных датчиках чувствительный элемент взаимодействует непосредственно с контролируемым объектом, а в бесконтактных это взаимодействие отсутствует. К последним относятся фотоэлектрические, ультразвуковые, радиоактивные и специальной конструкции щуповые датчики.

Работа датчиков определяется их статическими, динамическими и частотными характеристиками и оценивается величиной входных и выходных сигналов, чувствительностью, инерционностью и погрешностью. Так как измерение одной и той же физической величины может выполняться с помощью различных датчиков, то их выбор должен обеспечить технические требования, предъявляемые к разрабатываемой системе автоматики технологическим процессом, конструкцией и спецификой эксплуатации машины.

Рассмотрим основные разновидности датчиков, используемых в строительных и дорожных машинах и оборудовании.

К наиболее простейшим устройствам относятся конечные выключатели, ограничивающие линейные или угловые перемещения механизма. В первом случае (рис. 10.6, а) при достижении машиной (башенным, козловым, мостовым кранами) во время перемещения по подкрановым путям крайнего положения линейка ограничителя нажимает им рычаг конечного выключателя и, перемещая его, отключает контактную группу, прерывая подачу электроэнергии к механизму передвижения. Во втором случае (рис. 10.6, б) перемещение и укладка каната на барабане грузоподъемной машины производится с помощью шпиндельного выключателя. Он состоит из ходового винта, установленного в опорах и соединенного с приводом барабана зубчатой (или цепной) передачей. При вращении винта гайка с удерживаемым канатом перемещается вдоль него в одну или другую сторону до момента наезда на переключатели, в результате чего происходит отключение управляющей цепи и последующее включение с направлением движения в обратную сторону.

Рис. 10.7. Микропереключатель

В автоматических системах широко используются и микропереключатели (рис. 10.7). Они состоят из корпуса, в котором закреплены пластины неподвижных замыкающего и размыкающего контактов, а также подвижного контакта и работающая совместно с ним фигурная пружина. Толкатель оснащен возвратной пружиной и приводится в движение рабочим органом, положение которого контролируется, при достижении им конечного положения. При этом второй контакт обычно используется для включения механизма реверса.

Из генераторных преобразователей наибольшее распространение имеют резистивные преобразователи неэлектрических величин, действие которых основано на изменении омического сопротивления от воздействия изменяемой величины. К таким преобразователям относятся различные конструкции потенциометрических датчиков, преобразующих линейные и угловые перемещения в электрический сигнал. Они выполняются в виде переменного сопротивления, т. е. представляют различные конструкции реостатов, подвижный контакт которых связан с преобразуемым элементом. Эти преобразователи состоят из каркаса прямоугольного, круглого или кольцевого сечения (рис. 10.8, а, б), изготовленного на керамики, пластмасс или алюминия, покрытого токонепроводящим лаком. На каркас может наматываться эмалированная или оксидированная и покрытая лаком проволока из константана, нихрома, манганина, а также нанесен слой полупроводника или металлической пленки. Подвижная токосъемная щетка скользит по зачищенной контактной дорожке (непосредственно по проволоке или по соединенным с ней контактам).

Рис. 10.8. Реостатные преобразователи

Наряду с рассмотренными преобразователями при измерении углов наклона конструкций и рабочих органов строительных машин используются также и преобразователи, в которых высокоом-ное сопротивление шунтируется ртутью или проводящей жидкостью (рис. 10.8, в). При необходимости получения нелинейной характеристики в системах автоматики применяются линейные преобразователи с шунтирующими сопротивлениями (рис. 10.8, г), а также функциональные преобразователи с профилированным или ступенчатым каркасом, позволяющим получать переменные резисторы с квадратичной, логарифмической или другой функциональной зависимостью.

При значительных изменениях давлений, а также для измерений деформаций в элементах конструкций и узлов машин используются тензометрические и пьезоэлектрические преобразователи. Их работа основана на явлении тензометрического эффекта, т. е. на изменении электрического сопротивления чувствительного элемента от его деформации. В качестве чувствительных элементов, называемых тензолитами, в датчиках используются стержни из порошка сажи, графита или угля, наклеенные на полоске бумаги (рис. 10.9, а). Однако наибольшее распространение получили датчики с проволочными элементами из константана. нихрома или фольги. Проволока диаметром 0,02…0,05 мм или фольга с медными выводами наклеивается в виде прямоугольных или кольцевых петель на бумагу или пленку из изоляционного материала (рис. 10.9, б, в, г). Тензопреобразователи приклеиваются на поверхность детали, деформация которой измеряется, и с помощью соединительных проводов подключается к измерительному электрическому мосту. Схема подключения зависит от количества тензодатчиков и вида измеряемой деформации (растяжение, сжатие, изгиб, кручение). При этом, если деталь или конструкция сжимается или растягивается, то вместе с ней деформируются и наклеенные датчики, изменяющие величину своего сопротивления. Тензодатчики обычно включаются по мостовой схеме.

Рис. 10.9. Тензометрические преобразователи

В последнее время широкое применение получили полупроводниковые тензодатчики из германия и кремния, чувствительность которых в 50… 100 раз выше проволочных, а значительный уровень выходного сигнала позволяет обходиться без усилительной аппаратуры. Однако они имеют и существенные недостатки, одним из которых является значительно пониженные температурные характеристики.

С помощью пьезоэлектрических преобразователей механическая энергия преобразуется в электрическую в связи с возникновением электрических зарядов на поверхностях кристаллов некоторых диэлектриков (например, титаната бария) при механическом воздействии на них.

Пьезоэлектрический датчик усилий (рис. 10.10) представляет собой корпус, в котором расположены пьезоэлектрические пластины. Усилия F передаются на пластины через опорные плиты, а полученный сигнал снимается с металлических обкладок.

Рис. 10.11. Простые индуктивные преобразователи

Преобразователь состоит из магни-топровода с обмоткой и якоря, соединенного с рабочим органом машины или ОГП кранов. Изменение воздушного зазора, представляющего входную величину, изменяет, в свою очередь, индуктивность и сопротивление обмотки дросселя. При этом увеличение зазора уменьшает индуктивность и сопротивление обмотки и ведет к увеличению тока.

Дифференциальные трансформаторы с подвижным сердечником используются в основном в электрических измерительных преобразователях с силовой компенсацией в качестве индикатора рассогласования. Такой преобразователь представляет цилиндрический каркас с перемещающимся сердечником. По всей длине каркаса навита первичная обмотка W, поверх которой симметрично расположены две вторичные обмотки W{ и Wi, выполненные в виде двух одинаковых катушек. Индикатор уровня типа ДИУ-СЧА (рис. 10.12, а) устроен и работает следующим образом. Сердечник, перемещающийся внутри катушек с обмотками, связан посредством жесткой тяги с поплавком 4, находящимся в баке с контролируемой жидкостью. Для уравновешивания выталкивающей силы при изменении уровня жидкости и соответствующего перемещения поплавка и сердечника служит пружина. При положении сердечника в средней части трансформатора во вторичных обмотках индуктируются одинаковые электродвижущие силы (ЭДС) и разность потенциалов AU на выходе трансформатора равна нулю.

Рис. 10.12. Дифференциальные трансформаторы с подвижным сердечником

Емкостные преобразователи в общем случае представляют собой конденсатор, емкостное сопротивление которого изменяется при изменении входной регулируемой величины (зазора между подвижной и неподвижной частями). Эти преобразователи делятся на конструкции с переменной длиной зазора (рис. 10.14, а) и с переменной площадью пластин (рис. 10.14, б). В преобразователе с изменяемым зазором измеряемая величина воздействует на среднюю подвижную пластину, которая изменяет расстояние d между основными неподвижными пластинами. Увеличение значения d при перемещении подвижной пластины ведетк уменьшению емкости датчика и снижению сопротивления. Этот преобразователь используют для измерения небольших перемещений и величин (усилий, давления и т. п.).

Рис. 10.13. Тахогенераторы

Наряду с рассмотренными в строительных и дорожных машинах и оборудовании применяют и различные виды фото- и термоэлектрических, ионизационных и других преобразователей.

Рис. 10.14. Емкостные преобразователи

К датчикам, используемым в строительных и дорожных машинах и оборудовании, так же как и ко всем другим элементам и устройствам автоматики и к системе в целом, предъявляются особые требования, обусловленные тяжелыми условиями эксплуатации машин. Они должны выдерживать обычные для указанных машин вибрационные и ударные перегрузки, падения напряжения в сети и при рабочей нагрузке. Большое значение имеет и относительная влажность, достигающая 98 %, а также температура окружающей среды, которая может изменяться от -60°С на открытом воздухе до + 150°С в специальных производствах, в том числе в пропарочных камерах. При этом наиболее сильное воздействие может оказать термоудар, как например, при быстром нагреве после запуска охлажденного до 40°С двигателя машин. Это может оказать разрушительное влияние особенно на элементы электроники и соединительные цепи. Одновременно элементы и системы автоматики в целом должны обладать водонепроницаемостью, пыле, грязе-, влаго- и коррозийной стойкостью, помехоустойчивостью, надежностью, долговечностью и сохранять работоспособность при воздействии паров масел, жидкого топлива и агрессивных примесей выхлопных газов. К основным требованиям следует отнести также необходимые, особенно для передвижных машин, быстродействие и точность, простоту конструкции, минимально возможные размеры и массу, удобство эксплуатации и невысокую стоимость.

Возникновение электрического сигнала с информацией о состоянии контролируемого или регулируемого параметра обеспечивается разнообразными измерительными схемами с внешними источниками питания. Известно, что методы измерений делятся на метод непосредственной оценки и сравнения. При методе непосредственной оценки (неуравновешенный мост) значения измеряемой величины фиксируются по заранее оттарированным приборам (микрометр, амперметр, динамометр и т. п.). В этом случае погрешность измерения определяется классом точности измерительного прибора. Измерение методом сравнения (уравновешенный мост) осуществляется путем сопоставления измеряемой величины с образцовой мерой и в соответствии с размером ее погрешности.