0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Датчики линейного перемещения принцип работы

Виды и где применяются датчики линейного перемещения, как сделать своими руками

Контроллеры – устройства, позволяющие сделать жизнь людей проще. Есть контроллеры света, датчики звука, а есть регистраторы перемещения. Последние определяют величину изменения координат чего-либо. Разумеется, они применяются во всех сферах человеческой жизни. Далее будет рассмотрен датчик для контроля линейного перемещения объектов: его разновидности, характеристики, а также применение устройства.

Описание и назначение прибора

В общем виде подобные контроллеры состоят из элементарного электронного устройства (конденсатора, катушки, резистора, их комбинаций с дополнениями), механического объекта, изменяющего параметры этих устройств (феррита или пластины диэлектрика), а также АЦП для обработки сигнала аналогового формата и передачи его на управляющий элемент (микроконтроллер, например).

Виды и принцип действия

Контроллеры движения различаются по физическим явлениям, которые лежат в их основе, и, соответственно, по способу функционирования.

Емкостные

Работа таких регистраторов основана на варьировании емкости конденсатора.

Из школьного курса физики известно, что емкость проще изменить, уменьшая или увеличивая расстояние между его обкладками, либо внесением диэлектрика между его пластинами.

Исходя из этого получается, что емкостные контроллеры бывают двух видов (в зависимости от способа изменения емкости накопителя).

В первом случае чем ближе измеряемая цель, движение которого фиксирует датчик, тем меньше зазор между обкладками, тем больше его емкость. И наоборот.

При использовании емкостного контроллера второй конфигурации движение фиксируется при помощи пластины, связанной с измеряемой целью. Чем цель ближе, тем больше пластина проникает между пластинами.

Фиксировать величину емкости можно разными способами. Например, измерять комплексное сопротивление конденсатора.

Оптические

Эффектов из раздела оптики, на которых можно построить датчик движения, много. Самый популярный и чаще используемый – эффект оптической триангуляции. Контроллеры на его основе определяют расстояние от движущейся цели с помощью фиксации рассеянного о поверхность перемещающегося объекта излучения и определения угла отражения с помощью фотодетектора.

Такие контроллеры производят измерение расстояния, никак не контактируя с выбранной целью. Они высокоточные и быстро реагируют на изменение измеряемых параметров.

Другой вид оптических контроллеров основан на учете вибрации и малых перемещений. Такие регистраторы состоят из трубы, двух решеток внутри – одна зафиксирована на месте, а вторая подвижная и может быть связана с движущимся объектом – и фотодетектора.

При появлении движения со стороны цели подвижная решетка изменяет свое положение, что влияет на интенсивность света, поступающего через обе решетки на фотодетектор.

Если такие датчики научить распознавать поляризацию света, то можно на их основе создавать селекционные контроллеры, которые будут реагировать только на объекты, хорошо отражающие свет.

Индуктивные

Принцип функционирования индуктивных контроллеров в одном из исполнений похож на принцип работы емкостных контроллеров, где емкость изменялась за счет внесения в конденсатор диэлектрика.

Правда, в индуктивные приборы вносится не диэлектрик, а сердечник в трансформатор. Сердечник связан с движущейся целью. Чем он больше проникает между обмотками, тем больше амплитуда, например, напряжения во вторичном проводе.

По размерности сигнала во вторичном проводе можно иметь представление о положении интересующей цели.

Такие регистры имеют и другую конфигурацию. Они могут состоять из ферромагнетика и измерителя индуктивности. Ферромагнетик связан с движущейся целью. По близости ферромагнетика к измерителю можно судить о положении объекта.

Индуктивные контроллеры во втором исполнении можно применять только для контроля небольших перемещений.

Вихретоковые

Такие контроллеры в своем составе имеют генератор магнитного поля и его регистратор. Регистратор определяет индукцию создаваемого поля. Движущаяся цель создает побочное магнитное поле с помощью вихревых токов. Оно пересекается с исходным полем, создаваемым генератором.

От пересечения магнитных линий изменяется индукция поля. Изменение индукции фиксирует регистратор. По нему можно судить о положении цели.

Ультразвуковые

Они представляют собой радары. Принцип их действия простой: источник контроллера излучает ультразвуковую волну, она сталкивается с движущейся целью, отражается от него, а приемник контроллера ее фиксирует. По различию параметров отраженной и принимаемой волны делают выводы о положении движущегося объекта.

Магниторезистивные

Такой контроллер в своем составе имеет постоянный и пластины, параметры которых зависят от величины магнитного поля вокруг, включенные по схеме, называемой “мостом”. Последние изменяют свое сопротивление в зависимости от индукции вокруг них.

Брусок из ферромагнетика, связанный с движущимся объектом, в зависимости от положения последнего, перемещается в поле, изменяет его индукцию, пластины меняют импеданс, и схема регистрирует фактически изменение этого сопротивления. По величине этого рассогласования судят о положении нужной цели.

Потенциометрические

Эти датчики – одни из самых простых контроллеров движения. Все, что они имеют в своем составе, это источник сигнала и потенциометр, регулятор которого связан с движущейся целью.

В зависимости от положения ручки меняется разность потенциалов на переменном резисторе.

По величине этого напряжения можно судить о положении цели.

Магнитострикционные

Эффект магнитострикции состоит в изменение объема и габаритов какого-либо тела при изменении его намагниченности. Регистры на основе этого эффекта состоят из волновода (трубки), по которому перемещается магнит в форме кольца. Внутри трубки находится провод с подключенными к нему генератором и регистром импульсов. Поле, создаваемое проводником, складывается с полем, создаваемым магнитом.

Суммированное поле вращает трубку, что позволяет волноводу создавать импульсы вращения, попадающие на регистратор. По задержке между отправлением электроимпульса и приходом импульса от волновода можно определить расстояние до кольца, а положение магнита дает представление о положении перемещающейся цели.

На основе эффекта Холла

Контроллеры, принцип функционирования которых объясняется действием этого эффекта, похожи на магниторезистивные.

Эффект Холла состоит в изменении напряжения проводника при прохождении через него электрического тока.

Области применения

Любой регистратор движения представляет собой индикатор с аналогово-цифровым преобразователем. Аналоговый сигнал – изменение напряжения, емкости конденсатора, амплитуды во вторичной обмотке и других параметров. Цифровой сигнал – то, что управляет подключенной к датчику системой.

Каким-то системам достаточно лишь двух сигналов с датчика – нуля и единицы. К ним относятся системы сигнализации (извещатели), в которых ноль – дверь закрыта, единица – дверь открыта; системы управления светом (ноль – никого нет в помещении, свет выключен, единица – в помещении есть движение, свет включен).

Хотя есть системы, в которых важна точность измерений подобных датчиков. Например, станки с числовым программным управлением, которые на основе данных с датчика движения могут регулировать положение в пространстве работающего механизма (иглы или сверла).

Обзор производителей

На рынке представлено большое количество производителей датчиков линейного движения, среди которых:

  • ЭЛТЕХ;
  • Longfellow-2;
  • DuraStar;
  • DEPP;
  • HENGXIA;
  • Roundss.

Эти компании выпускают продукцию различного качества, разного функционала и разной ценовой категории.

Важно! Стоимость всех далее приведенных устройств, которые производятся не в России, зависит от курса рубля.

ЭЛТЕХ

ЭЛТЕХ – компания из Санкт-Петербурга, которая является крупнейшим производителем подобных контроллеров в стране. Они выпускают датчики емкостного, индуктивного и магниторезистивного типа.

Longfellow-2 и DuraStar

Longfellow-2 и DuraStar – датчики линейного движения, относящиеся к типу потенциометрических. Они способны улавливать изменения движения в пределах до 6,1 см с точностью 0,5%.

Чем дороже стоят модели, тем больший диапазон измерений они поддерживают.

DEPP EP15-series

Модель датчика китайской компании DEPP, относящегося к типу устройств, в основе которых лежит изменение магнитной индукции поля. Они применяются в станках и системах автоконтроля.

HENGXIA K100-series

Модель оптического датчика, которая может фиксировать размеры в диапазоне 0,5 – 72 см.

Roundss Rlc50d

По сути, этот датчик – электронная рулетка, которая с высокой точностью определяет необходимые расстояния.

Как изготовить своими руками

Проще всего создать потенциометрический датчик и подключить к нему какой-либо микропроцессор.

Для создания потенциометрического датчика нужно взять блок питания и потенциометр, регулировочную ручку которого следует подключить к перемещаемому объекту. К потенциометру нужно подключить один из выводов микроконтроллера в режиме АЦП (обязательно через ограничительный резистор, чтобы вход не сгорел), а к другому выводу следует подключить систему, управление которой осуществляется (аналогично через резистор).

Не так сложно изготовить индуктивный датчик. Для этого понадобится тот же микроконтроллер с входом в режиме АЦП, две обмотки для будущего трансформатора и регулируемый сердечник. Подвижную часть сердечника нужно подключить к движущемуся объекту, АЦП – ко вторичной обмотке, первичную обмотку соединить с источником питания, к другому выводу микроконтроллера следует подключить управляемую систему. Нельзя забывать об ограничительных резисторах.

По аналогии можно собрать емкостной датчик с введением диэлектрика. Вместо обмоток трансформатора подключаются обкладки конденсатора, вместо ферромагнетика сердечника – любой диэлектрик.

Можно собрать и лазерный датчик линейного перемещения. Как раз такой применяется в станках с ЧПУ. Проблем с приобретением самого излучателя нет. Они могут возникнуть на этапе обработки сигнала с лазерного излучателя. Делать это проще всего с помощью микроконтроллера (например, SMT или AVR), но для отладки обработки этого сигнала потребуется потратить много времени, если нет большого опыта в проектировании таких устройств.

Технические устройства с более сложной конструкцией, конечно, тоже можно самостоятельно собрать. Тем более, что их схемы доступны в интернете, вопрос только в подборе номиналов элементов. Хотя лучше приобрести готовые изделия, потому что они заранее проверены и настроены инженерами компании-изготовителя.

Правила эксплуатации

Первое, что нужно уяснить при эксплуатации подобных датчиков –, они не любят резких воздействий со стороны, к которым относятся удары, вибрация, падения и т.д. Дорогие датчики линейного перемещения – высокочувствительные устройства и в них устанавливаются элементы, не переносящие деформации. Удар или деформация может повредить контакт регистратора, и тогда датчик будет показывать неточный результат (или не будет его выводить вообще).

Например, подвижная сетка оптического датчика крайне чувствительна к внешним воздействиям, как и регистраторы в магнитострикционных и магниторезистивных типах моделей.

Также не следует пытаться дорабатывать датчики самостоятельно, если нет никакого опыта в подобных модернизациях. Если контроллер рассчитан на определенную точность, не нужно пытаться ее повысить. Для этого придется пересчитывать номиналы всех элементов в устройстве и, если допустить ошибку, можно его сломать.

Датчики линейного перемещения требуют к себе бережного отношения, если речь идет о бытовых контроллерах, а не об устройствах, которые должны нормально работать в экстренных условиях, вроде датчиков, применяемых в горнодобывающей промышленности.

Контроллеры, предназначенные для работы в особых условиях, не продаются в бытовых магазинах или на популярных китайских сайтах. Изготавливаются они во многих случаях на заказ на специальных предприятиях, а их стоимость в разы выше, чем у массовых аналогов.

Давно пыталась понять, как работают датчики линейного перемещения. Теперь наконец-то разобралась в этой теме и смогла ответить на давно волнующий вопрос. Здесь хорошо показано как сделать его своими руками. Тоже хочу попробовать.

А почему стоимость датчиков не уточнили? Про зависимость от курса доллара-евро я поняла, но ведь даже примерная цена в тексте не указана?

Датчики линейного перемещения – основные нюансы

Классификация приборов

Датчики линейного перемещения имеют несколько классификационных уровней, но основным является принцип действия, который определяет функциональное назначение и область использования приборов.

  • Область применения датчиков ↓
  • Емкостные датчики ↓
  • Индукционные датчики ↓
  • Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений ↓
  • Производители различного типа приборов ↓
  • Прибор контроля перемещения своими руками ↓

По принципу действия приборы контроля и измерения перемещений можно разделить на:

  1. Емкостные.
  2. Оптические (оптоэлектронные).
  3. Индукционные.
  4. Датчики магнитострикционного типа.
  5. Ультразвуковые.
  6. Резистивные, магниторезистивные и потенциометрические.
  7. Приборы, использующие в своей работе эффект Холла в быту, практически не используются.

Область применения датчиков

Любой датчик движения, вне зависимости принципа действия, предназначен для преобразования линейного перемещения в цифровой или аналоговый сигнал, который затем поступает к электронному блоку измерения или срабатывания. От принципа действия зависит точность измерения.

Часто нет необходимости в замере конкретной величины перемещения. Например, в охранных системах достаточно просто определить наличие перемещения в зоне контроля. Эти приборы получили название датчиков движения. От них не требуется высокая точность замера величины. Поэтому дешевые емкостные, оптические или индукционные устройства здесь наиболее распространены.

В промышленно-производственных системах автоматического управления требуется измерения величины перемещения. Причем измерение (например, в станках с числовым программным управлением) должно быть проведено с высокой точность и осуществляется или непрерывно, или дискретно – через определенные промежутки времени. В этом случае наибольшее распространение получили магнитострикционные приборы.

Емкостные датчики

Простейший емкостный датчик по своей конструкции напоминает конденсатор. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

  1. Изменения величины зазора между пластинами.
  2. Изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия.
  3. Изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, а может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Наибольшее распространения емкостные устройства контроля перемещения нашли:

  1. В качестве источника сигнала в системах контроля заполнения резервуаров жидким или порошкообразным продуктом.
  2. Как прибор, контролирующий начало – окончание рабочего хода исполнительного органа робототехнических систем и автоматических станков и линий.
  3. Для позиционирования различных объектов.
  4. Как обычный конечный бесконтактный выключатель.
  5. В системах контроля и охранной сигнализации как «датчик присутствия».

Благодаря своей невысокой стоимости и надежности, емкостные устройства нашли самое широкое распространения в отдельных системах комплекса жизнеобеспечения «умный дом».

К их достоинствам, по сравнению с устройствами, использующими другой принцип действия, можно отнести:

  1. Упрощенную технологию массового производства, с использованием недорогих, широко распространенных материалов.
  2. Высокую чувствительность при малом энергопотреблении.
  3. Компактные размеры и незначительный вес.
  4. Долговечность, простоту и надёжность эксплуатации.
  5. Простоту адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение в высокоточных системах управления, являются:

  1. Относительно низкий коэффициент преобразования.
  2. Необходимость тщательной экранировки элементов датчика.
  3. Повышение точности работы прибора на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50,0 герц.
  4. Высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий (снег, дождь) что требует повышенной защиты источника сигнала.

Индукционные датчики

Сигнал в индукционных датчиках формируется за счет изменения индуктивности катушки. Приборы этого типа отличаются высокой точностью, при незначительных габаритах. Индукционные приборы контроля способны проводить измерения дистанционно, а по типу их подразделяют на простые и дифференциальные.

Одно из конструктивных исполнений этих устройств представляет собой трансформатор, сердечник которого имеет возможность передвигаться. При перемещении сердечника индуктивность катушки меняется и это изменение является сигналом. Значение индуктивности изменяется пропорционально уровня перемещения сердечника.

Если контроль перемещения осуществляется в отношении ферримагнитных объектов, то сердечник не требуется. Деталь, попадая в поле электромагнитного излучения катушки, меняет ее индуктивность и формирует управляющий сигнал.

Контролирующие датчики индукционного типа нашли широкое применение в станках с программным управлением, бесконтактных системах охраны и для фактического измерения перемещения, с отчетом его значения по цифровой шкале или с выводом информации на экран жидкокристаллического дисплея.

Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений

Набольшее распространение для контроля движения и измерения расстояния получили оптические триангуляторы, являющиеся по своей сути обычным оптическим (лазерным) дальномером. Для контроля малых изменений линейных величин применяются приборы с поляризационной решеткой. Кроме того, оптические датчики широко используются в системах охраны в качестве «лучевого барьера».

К достоинствам этой категории приборов можно отнести:

  1. Реализацию бесконтактного контроля.
  2. Высокую точность.
  3. Практически мгновенно формирование управляющего сигнала (отсутствие времени задержки срабатывания).

Недостатками высокоточных оптических датчиков считаются:

  1. Значительная стоимость.
  2. Критичность к условиям окружающей среды.

Производители различного типа приборов

Крупнейшим российским производителем приборов для контроля перемещений является компания «ЭЛТЕХ» (Санкт-Петербург), специализирующая на устройства для контроля и измерения величины линейного перемещения индуктивного, резистивного и емкостного типа.

Линейные потенциометры модельных линий «Longfellow-2» и «DuraStar» обеспечивает измерение величины перемещения в пределах до 610,0 миллиметров с точностью 0,5%. Стоимость приборов зависит от измеряемого диапазона (модели) и объема поставки и оговаривается при заказе.

В последнее время большой популярностью пользуется недорогие, но достаточно точные приборы китайского производства.

Наиболее распространены следующие модели:

  1. «DEPP EP15-series» – приборы индукционного типа, применяемые в станках и системах автоматического контроля;
  2. Оптическое устройство «HENGXIA K100-series» позволяет контролировать размеры в диапазоне 50,0…7200,0 миллиметров;
  3. Линейный энкодер «Roundss Rlc50d» по сути является электронной рулеткой, позволяющей с высокой точностью замерять размеры и контролировать пройденный путь.

Стоимость китайской продукции зависит от курсовой стоимости рубля и уточняется при заказе.

Прибор контроля перемещения своими руками

Прибор для измерения величины перемещения изготовить самостоятельно практически невозможно. Однако радиолюбители достаточно часто собирают из вышедшей из строя радио и электронной аппаратуры датчики движения, которые с успехом используются в системах безопасности и жизнеобеспечения.

Например, датчик можно использовать для включения света в туалете, когда в помещение санузла заходит человек. Не менее популярны подобные устройства для включения-отключения освещения в жилых помещениях.

И конечно эти приборы незаменимы при формировании собственной системы безопасности, где они фиксируют любую попытку (неважно человек это или животное) несанкционированного проникновения на территорию защищаемого объекта (садового участка, балкона, гаража). Изготовление самодельного датчика движения рассмотрим на примере сборки оптоэлектронного устройства, контролирующего пересечение охраняемого периметра.

Из деталей для изготовления самого прибора потребуются:

  1. Блок питания от мобильного телефона с напряжением на входе 5,0 вольт.
  2. Фотоэлемент – лучше фоторезистор.
  3. Биполярный транзистор с «p-n-p» – переходом.
  4. Построечный потенциометр (сопротивление) с диапазоном регулировки 0…10,0 килоом.
  5. Электромагнитное реле, срабатывавшее при напряжении 5,0 вольт.
  6. В качестве источника излучения идеально подойдет лазерная указка, дающая тонкий, узконаправленный луч.

Порядок соединения схемы следующий:

  1. Катод фотоэлемента припаивается к плюсовому проводнику блока питания – эта точка будет является общим (массовым) проводником.
  2. К аноду фотоэлемента присоединяется просторечный потенциометр, при выведении его движка в среднее положение.
  3. Свободный контакт потенциометра припаивается к отрицательному проводнику блока питания, а контакт от его движка к базе транзистора.
  4. Эмиттер транзистора включается подсоединяется к общему «плюсу» схемы, а коллектор соединяется с одним из контактов реле.
  5. Второй контакт реле припаивается к отрицательному проводу блока питания.

При освещении окошка фотоэлемента лазерной указкой, поворотом движка потенциометра добиваются надежного срабатывания реле. К коммутационным контактам реле можно подключить любой источник сигнала – ревун, лампу накаливания, светодиодный индикатор. Недостатком данного устройства является то, что оно срабатывает только при пересечении луча света.

То есть в режиме ожидания все его элементы функционируют. При различных способах коммутации контактов реле можно добиться включения света при первом пересечении луча и его отключении при повторном.

Датчик линейного перемещения: назначение и виды

Содержание

  1. Назначение
  2. Как выбрать
  3. Типы датчиков линейного перемещения
  4. Область применения

Датчик линейных перемещений — это устройство, предназначенное для определения изменения местоположения объекта по одной координате, а также расстояния до объекта. При этом объект может находиться в твердой, жидкой или сыпучей форме.

Назначение

Такие датчики преобразуют данные о перемещении объекта в выходной сигнал. Являются одним из важных измерительных элементов систем управления и контроля. Они широко применяются в различных областях, поэтому выделяют несколько разновидностей, отличающихся по принципу действия, точности, цене.

  • показывают положение объекта управления (ОУ) или рабочего органа оборудования;
  • отслеживают линейные перемещения ОУ или рабочего органа;
  • фиксируют окончание этапа в системах цикловой автоматики;
  • определяют размеры ОУ (например, заготовок);
  • измеряют уровень жидкости;
  • характеризуют состояние оборудования в части его загрузки.

Как выбрать датчик линейного перемещения?

Для выбора прибора требуется определить следующие параметры: необходимый диапазон измерений, разрешение и повторяемость. Также необходимо определить, какой должна быть его форма в зависимости от типа сборки.

Читать еще:  Датчик движения: что это такое и как работает

Важно также знать, будет ли датчик использоваться в специальных условиях: во влажной, запыленной среде, взрывоопасных зонах и т.д.

Типы датчиков линейного перемещения

  • индуктивные;
  • потенциометрические;
  • магнитострикционные.

Потенциометрический датчик линейного перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (переменный резистор). при перемещении объекта его сопротивление изменяется.

В таких датчиках используется простая технология, поэтому как правило они обладают небольшой стоимостью. При этом их точность довольно большая. Однако, они часто чувствительны к износу, вибрациям, посторонним предметам и экстремальным температурам.

Индуктивный датчик линейного перемещения

Имеет переменный резистор, содержащийся в электрическом контуре. при перемещении объекта его сопротивление изменяется.

Индуктивные датчики линейного перемещения являются более высокоточными и широко используются во многих отраслях промышленности.

Их главными преимуществами является низкая стоимость и почти неограниченный срок службы.

Магнитострикционный датчик линейного перемещения

Имеет генератор магнитного поля и считывающую головку, встроенную в датчик. Их взаимодействие позволяет определять положение объекта.

Такие приборы являются высокоточными, их разрешение доходит до 1 мкм при уровне защиты до IP67. В следствии своих высоких технических характеристик, магнитострикционные датчики являются одними из самых дорогих

Область применения

Датчики линейного перемещения нашли применения в различных отраслях промышленности. К ним относится, например: охранная сфера, промышленно-производственные системы автоматического управления, автоматические линии, счетные операции, машиностроение на разнообразных обрабатывающих центрах и станках.

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse

Датчики линейных перемещений (датчики линейного положения, измерители пути и т.д.) применяются во многих отраслях промышленности во всем мире. Измерители пути, которые используют принцип магнитострикции, обладают характеристиками, обеспечивающими надежную работу во множестве областей автоматизации, включая самые тяжелые условия.

Везде, где требуется определить точное положение объекта, движущегося по прямой, эти сенсоры могут помочь- от гидравлического цилиндра, до машины инжекционного литья или резки бумаги. Мировыми лидерами в разработке и производстве магнитострикционных датчиков линейных перемещений являются компании Balluff (датчики перемещения под маркой Micropulse) и MTS Sensors (датчики Temposonics).

Принцип работы

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как: железо, никель, кобальт и их сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. Например, если ферромагнетик находится в
области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля, домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Таким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз.
Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. В реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало (см. рисунок 1).

Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно, его можно оптимизировать посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах Micropulse и Temposonics используется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же, в датчиках Micropulse используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 3. Датчик линейных перемещений Micropulse состоит из 5 основных частей:

  • измерительный элемент (волновод);
  • электроника датчика;
  • позиционер в виде постоянного магнита;
  • преобразователь торсионного импульса;
  • демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного импульса).

«Стержнем» измерительной системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков Баллуфф Micropulse (MTS Temposonics) на основе этого принципа измерения. Волновод в сенсорах линейных перемещений Micropulse имеет наружный диаметр 0.7 мм, а внутренний 0.5 мм. Медный проводник проходит по всей длине волновода.
Измерительный процесс инициируется коротким импульсом тока, который посылается из электронной части сенсора по медному проводнику. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (см. рисунок 3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита- позиционера, возникает ,согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и ,таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения на котором созданы датчики линейных перемещений Balluff Micropulse , очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают: измерять расстояние можно с наивысшей точностью; металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами; благодаря специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например от вибрации станков. Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения Balluff Micropulse , обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

Воплощение магнитострикционного принципа в измерительную систему, удовлетворяющую суровым требованиям промышленного производства, ставит высокие требования к возможностям и компетенции производителя датчиков. Инженеры Balluff обладают фундаментальными физическими знаниями, накопленную за десятилетия лабораторных опытов информацию по магнитострикционным материалам. Например, были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Причем в каждом поколении магнитострикционных датчиков Balluff конструкция и схема совершенствуются и развиваются, находясь на самом современном уровне.

при перепечатке прямая ссылка на sensoren.ru обязательна!

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse Магнитострикционный принцип измерения датчиков перемещения Micropulse и Temposonic

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics

Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.

Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства ферромагнитных материалов: железо, никель, кобальт, а так же их сплавов. При нахождении ферромагнетика в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, приводящее к изменению физических размеров ферромагнетика. Это является следствием структуры ферромагнитного материала, проще говоря, он состоит из огромного количества микроскопических элементарных магнитов, которые стремятся установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных областей, так называемых «доменах». В обычном состоянии направление доменов хаотично, однако, при наложении магнитного поля они выстраиваются по его направлению и выравниваются параллельно друг другу. При этом, возникают собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Вышеописанное приводит к тому, что если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень получит механическую деформацию, вследствие которой возникнет удлинение. Надо понимать, что на самом деле это удлинение очень мало (см. рисунок 1), однако, его возможно зарегистрировать. Кроме того, создавая специальные ферромагнитные сплавы и прилагая к ним постоянные направленные магнитные поля можно оптимизировать и управлять магнитострикционным эффектом.

Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:

-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.

Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом — волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.

Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции

производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.

Обзор датчиков перемещения

Нахождение на охраняемой территории постороннего лица можно зафиксировать различными приборами. Нередко для этой цели используется датчик линейного перемещения, который некоторые называют датчиком движения. Подобные приборы могут иметь различный принцип работы и внешний вид. Однако их объединяет общий результат: когда в зоне их действия начинают перемещаться какие-либо объекты, они отправляют управляющий сигнал на приемное устройство, оповещая об этом пользователя. Каждый вид имеет свои отличительные особенности. Стоит обязательно познакомиться с характеристиками и особенностями каждой из существующих разновидностей, чтобы выбрать наилучший вариант в зависимости от преследуемых целей.

Основные виды

Датчики линейного перемещения могут существенно отличаться по конструктивным особенностям и принципу работы. Производители предлагают различные устройства, каждое из которых ориентировано на эксплуатацию в определенных условиях. Они бывают:

  • емкостные. Самый простой вариант. Отличается продуманным исполнением, надежностью и доступностью. Для определения факта движения используется измерение зазора между пластинами либо изменение пространственного положения последних относительно друг друга. Изменение положение способствует изменению зоны перекрытия. Она может либо увеличиться, либо уменьшиться. Для повышения производительности и более активной передачи данных некоторые модели оснащаются генераторами импульсов. При их наличии данные передаются с большей скоростью. Емкостные модели часто используются в качестве источника сигнала в резервуарах с топливом. Они выполняют роль бесконтактного выключателя, сигнализирующего о начале рабочего хода и сообщающие об его завершении;
  • индукционные. Управляющий сигнал формируется в результате изменения индуктивности обмотки. Привлекают высокой точностью получаемых результатов при относительно небольших габаритных размерах. Не предъявляют особых требований к месту установки прибора. Способны работать в любом пространственном положении. Чаще всего индуктивные датчики перемещения устанавливаются на станках, оснащенных программным обеспечением;
  • оптические. По принципу работы подобные приборы близки к обычному лазерному дальномеру. Позволяют проконтролировать относительно небольшие перемещения. Часто входят в состав охранных систем. Используется как лучевой барьер. Практичен в использовании. Отличается повышенной точностью. Обходится достаточно дорого;
  • ультразвуковые. Это своеобразные радары, в процессе эксплуатации которых формируются ультразвуковые волны. Столкнувшись с движущейся в зоне действия устройства объектом, ультразвуковая волна возвращается в приемник контроллера и фиксируется. Характеристики отраженной волны позволяют понять, в каком месте находится объект, какие у него параметры;
  • вихретоковые. В состав подобных приборов входит специальный регистратор с генератором магнитного поля. В процессе эксплуатации регистратором фиксируется величина индукции магнитного поля. Если в зоне действия вихретоковых датчиков перемещения оказывается посторонний объект, возникает побочное магнитное поле, формируемое под действием вихревых токов. В результате взаимодействия побочных магнитных потоков с исходными величина индукции поля изменяется. Даже незначительное отклонение фиксируется с помощью регистратора. По величине изменения удается определить местоположение объекта;
  • магниторезистивные. Устройство оснащается специальными пластинами, параметры которых меняются под действием магнитного поля. Подобный датчик линейного перемещения подключается по специальной схеме, называемой «мостом». Изменение индукции в окружающем пространстве приводит к изменению сопротивления пластин. Элемент, изготовленный из ферромагнитного материала и связанный с движущимся объектом, постепенно перемещается в пространстве, влияя на величину индукции. По изменившемуся значению определяют местоположение объекта;
  • потенциометрический. Относится к самым простым контроллерам движения. В его состав входит потенциометр, содержащий регулятор, связанный с движущейся целью, и источник сигнала. Изменение положение ручки потенциометрического датчика изменяет на переменном резисторе разность потенциалов. По данному значению определяют расстояние до объекта;
  • магнитострикционный. В основу работы устройства данного вида положен эффект магнитострикции, заключающийся в изменении габаритов и объема тела при изменении величины намагниченности. Для реализации данного эффекта в состав прибора введены регистры, состоящие из трубки (волновода), по которому перемещается кольцеобразный магнит. Внутрь трубки помещен провод, соединенный с регистром импульсов и генератором. В процессе эксплуатации устройства происходит сложение полей: генерируемого проводником и создаваемого самим магнитом. Суммарное поле заставляет трубку вращаться, в результате чего она формирует импульсы вращения, поступающие на вход регистратора. Расстояние до кольца определяется по задержке, образующейся между отправлением электроимпульса и приходом импульса от волновода. О расстоянии до перемещающегося объекта говорит положение магнита;
  • на основе эффекта Холла. По своему принципу функционирования такой датчик линейного перемещения похож на магниторезистивный. Используемый эффект предполагает изменение напряжения проводника в тот момент, когда по нему подается электроток. Их главным преимуществом является стойкость к механическому воздействию и колебанию параметров окружающей среды. Это существенно расширяет возможную область использования.
Читать еще:  Простая автономная охранная сигнализация своими руками

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы чаще всего оцениваются для конкретной модели. Однако есть общие достоинства и недостатки, характерные для датчиков, независимо от их устройства и принципа действия.

К преимуществам стоит отнести:

  • Высокую чувствительность. Бывает сложно настроить прибор, чтобы он не реагировал на домашних животных. Датчик срабатывает при наличии незначительного перемещения в выбранной зоне. За счет этого повышается точность обработки или увеличивается степень защищенности охраняемого объекта;
  • Незначительное энергопотребление. Не стоит опасаться больших счетов на электроэнергию при установке одного или нескольких приборов в доме. Всегда можно подобрать модель с минимальной мощностью при сопоставимых эксплуатационных характеристиках;
  • Длительный срок службы. Датчики способны прослужить длительное время при условии соблюдения рекомендаций производителя и правильном монтаже;
  • Простота в эксплуатации. Прибор не предъявляет повышенных требований к квалификации и опыту потребителя. После установки он работает автоматически, не требуя вмешательства и периодической регулировки;
  • Как правило, небольшие размеры и минимальный вес. Для его установки не требуется много места. В зависимости от наличия свободного места можно выбрать потенциометрический или сделать выбор в пользу устройства другого типа. Учитывая небольшую массу, для размещения прибора подойдет любое основание. При наличии дополнительного крепежа возможна установка под натяжные потолки;
  • Высокий коэффициент преобразования, благодаря которому повышается корректность выдаваемых сигналов;
  • Бесконтактный контроль за территорией. У пользователя отпадает необходимость постоянного присутствия. Вся актуальная информация может передаваться через ресурсы удаленного доступа;
  • Формирование сигнала в режиме реального времени;
  • Простота монтажа благодаря поставке прибора со всеми необходимыми крепежными элементами.

Из недостатков стоит отметить:

  • Возможность ложного срабатывания. Некоторые приборы чувствительны к изменению погодных условий, наличию и интенсивности атмосферных осадков;
  • Снижение коэффициента преобразования в темное время суток;
  • Высокая стоимость отдельных приборов.

Области применения

Любой датчик линейного перемещения является индикатором с аналогово-цифровым преобразователем. В качестве аналогового сигнала может выступать изменение емкости конденсатора, величины напряжения, параметров вторичной обмотки и других характеристик. Для управления системой, подключаемой к датчику, используется цифровой сигнал.

Величина и количество формируемых сигналов могут отличаться. Для одних систем достаточно двух типов управляющих сигналов: ноли и единица. Подобный принцип действия реализуется в системах:

  • Охранной сигнализации, в частности датчиках, устанавливаемых на двери. При закрытой двери устройство отправляет системе сигнал «ноль», при открытой — единицу;
  • управления светом. При отсутствии в помещении людей или иных движущихся объектов отправляется сигнал «ноль». Свет остается выключенным. Как только в помещении начинается какое-либо движение, отправляется единица: свет включается.

В некоторых случаях к точности измерения определенного параметрам предъявляются повышенные требования. В этом случае датчик линейных перемещений не просто информируется о наличии какого-то движения, но и позволяет определить точное пространственное положение некоторого объекта. Такой принцип реализован на станках с числовым программным управлением. Получаемая от датчиков информация используется системой управления для корректировки пространственного положения рабочего инструмента. Это существенно повышает точность механической обработки и качество выпускаемой продукции.

Советы по выбору

Большой ассортимент датчиков, предлагаемых различными производителями доставляет определенные трудности при выборе подходящего варианта. Чтобы не ошибиться, стоит обратить внимание на:

  • Рабочий цикл. Может варьироваться в большом диапазоне. Чем больше данный параметр, тем дольше прослужит устройство;
  • Температуру, при которой возможна эксплуатация. Некоторые модели предназначены для эксплуатации исключительно внутри помещений при положительной температуре. Другие можно смело монтировать на улице. Выбирая прибор, надо точно знать его назначение и согласовать диапазон температур, в котором производитель рекомендует эксплуатировать устройство, с температурой в конкретной местности;
  • Материал корпуса. От этого зависит внешний вид изделия, его срок службы, стоимость и место установки;
  • Порядок монтажа. Для размещения прибора на подвесном потолке в комплект поставки должен входить специальный крепеж и вес должен быть подходящим;
  • Порядок подключения к системе электроснабжения, требуемые разъемы. В некоторых случаях при установке могут возникнуть очевидные трудности;
  • Способ подключения и принцип работы отдельных элементов;
  • Стоимость. Некоторые производители используют дорогостоящие материалы, существенно повышающие цену модели и незначительно ее эксплуатационные характеристики.

Порядок настройки

Чтобы датчик линейного перемещения справился с поставленной задачей, его надо правильно настроить. Большинство производителей в инструкции по эксплуатации указывают алгоритм действий пользователя, заинтересованного в точной и безупречной работе устройства.

В самом общем случае проверить необходимость поднастройки можно следующим образом:

  • Готовится электролампа мощностью 200Вт либо прожектор, имеющий достаточную яркость;
  • Прибор монтируется на место и подключается к системе электроснабжения;
  • На передающем модуле закрывается крышка;
  • Лампа подключается к системе электроснабжения;
  • Световой поток, формируемый лампой, направляется внутрь устройства. Следует добиться фокусировки формируемых бликов оптической системой;
  • Смотрят на свет. Если он размывается, а размеры превышают 3 мм, значит, без настройки оптической системы не обойтись;
  • Внимательно изучают инструкцию производителя, выполняя действия в точном соответствии с руководством по эксплуатации, добиваясь рекомендованных параметров. Содержание данного этапа может существенно отличаться для приборов определенного типа;
  • Закрывают крышку. Отключают датчик от системы электроснабжения;
  • Проводят повторную проверку, выждав некоторое время. Контролируют ранее перечисленные параметры.

При правильной настройки оптической системы датчик будет работать безукоризненно при любых условиях эксплуатации.

Видео по теме

Электропривод и компоненты промышленной автоматизации системы резервного питания

Преобразователи линейных перемещений: области применения

Устройства, которые представляют направление и величину перемещений подвижных частей механизмов в виде аналоговых и цифровых сигналов, пригодных для последующей обработки, получили название преобразователей линейных перемещений. Они служат высокоэффективному измерению пути, круговых движений, уровня наполнения, расстояний до объекта.

Номенклатура — тысячи моделей для автомобильной, станкостроительной, судостроительной, нефтегазовой промышленности. Велика роль этих устройств в системах вооружения и робототехники. ПЛП призваны автоматизировать работу машин самых разных типов. Вот некоторые примеры использования:

  • управление шагом винта в ветряных генераторах;
  • формовочное и металлопрокатное оборудование;
  • затворы и шлюзы;
  • транспортно-погрузочные механизмы;
  • конвейеры;
  • устройства деревообработки;
  • машины для производства бетонных блоков;
  • контроль уровней продуктов.

Современные станки и автомобили, сервосистемы роботов, научная и медицинская техника насыщены ПЛП различного класса точности и быстродействия. Больше всего контроль линейных и угловых перемещений востребован в машиностроительной отрасли (до 70% всех видов измерений).

Виды ПЛП и принципы работы

Потенциометрические
Оптико-электронные

Оптико-электронные преобразователи широко используются с середины прошлого века. Устаревшие лампы накаливания в таких приборах сейчас заменены лазерными излучателями, но суть процесса не меняется: оптические сигналы преобразуются в электрические. Наряду с оптическими не теряют актуальности ультразвуковые ПЛП, в которых фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны.

Возможности традиционных бесконтактных оптических и звуковых преобразователей сильно ограничены условиями измерений. Они неэффективны в средах с низкой отражательной способностью, с высоким пыле-пено- парообразованием.

Микроимпульсные

Этих недостатков лишены микроимпульсные ПЛП, в которых используется магнитострикционный эффект. В таких приборах используют ферромагнитные материалы (обычно сплав железа и никеля).

Процесс измерения инициируется импульсом тока. Стержень из ферромагнетика действует подобно «волноводу», по которому начинает распространяться магнитное поле. В измеряемой точке располагается постоянный позиционный магнит, связанный с объектом измерения (например, с гидравлическим цилиндром). Этот магнит служит «курсором» текущей позиции. В месте его нахождения магнитные поля пересекаются и возникает пластическая деформация «волновода». Из этой позиции распространяется торсионный импульс, который улавливается и преобразуется в электрический ток. Время распространения торсионной волны (время импульсного отклика) прямо пропорционально расстоянию до постоянного магнита. Наиболее эффективны эти приборы на диапазонах от 150 мм до 4-х и более метров.

Бесконтактные преобразователи магнитострикционного типа

Получили распространение везде, где требуется длительный срок службы. Они нечувствительны к загрязнениям и влажности, типичным для многих производств. Серии бесконтактных ПЛП от лидирующих производителей (MTS Sensors Temposonics, Balluff Micropulse и др.) работают по 7-8 лет в тяжелых условиях с сохранением стабильных характеристик точности и повторяемости.

ПЛП ещё разделяют по конструктивному исполнению: стержневой (для гидроприводов), профильный, измерители уровня наполнения, а также серии, способные работать в агрессивных средах, во взрывоопасной атмосфере, в условиях пищевой и химической промышленности.

Основные характеристики и особенности интерфейсов ПЛП

При выборе преобразователя помимо его типа стоит выяснить следующие параметры:

  1. Диапазон измерения.
  2. Допустимая погрешность, разрешение. Минимальными погрешностями характеризуются устройства для станков с ЧПУ при изготовлении микросхем, в которых требуется точность на уровне микрометра. Для магнитострикционных представителей линейки Micropulse достигнута точность ±0,02% номинальной длины. Это превышает возможности ультразвуковых и радарных измерителей.
  3. Устойчивость к неблагоприятным факторам. Например, модель BTL5-A11-M0100-P-KA05 со степенью защиты IP67по IEC 60529 с герметичным корпусом способна давать устойчивые показания в жестких условиях, в диапазоне температур -40 -85°С, например, в прессах, формовочном оборудовании, портовых машинах.

На разрешение прибора и цену сильно влияет тип выхода/интерфейсного модуля:

  1. Аналоговый (по напряжению или току). Наиболее распространены токовые интерфейсы. Они стали стандартом ПЛП для многих отраслей, постольку относительно недороги и менее чувствительны к помехам.
  2. Импульсные. Сигналы от датчика усиливаются и передаются в цифровом виде без помех на значительные расстояния. В этой группе выделяют Р-интерфейсы и М-интерфейсы. Первые совместимы с котроллерами Siemens, Mitsubishi, Sigmatek, Parker, Esitron, WAGO и др. Вторые разработаны под определенные типы контроллеров.
  3. Синхронно-последовательные (SSI). Сигнал о положении позиционера посылается на контроллер в виде последовательности данных. Такие ПЛП подключаются непосредственно к плате управления через SSI-интерфейс. Они оптимальны в качестве сенсоров обратной связи для динамичных задач регулирования при работе в неблагоприятных условиях.

В ассортименте компании «Автоматика» сделан акцент на современных типах преобразователей, которые соответствуют требованиям Ростехнадзора, европейских и российских стандартов. Наши специалисты окажут помощь в выборе и покупке нужной модели, проведут технические консультации, организуют быстрые поставки в Екатеринбурге. Телефон для справок: +7 (343) 384-55-45.

Оптические датчики положения и перемещения объектов – почему «ДА»

Практически каждый технологический процесс нуждается в Оптических датчиках положения и перемещения, которые благодаря принципу работы и широкому разнообразию моделей разных производителей, помогают избежать финансовых затрат и гарантируют качественную продукцию.

В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями, оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:

  1. Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие, отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
  2. Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров в зависимости от типа датчика;
  3. Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применяться не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
  4. Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок, это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
  5. Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
  6. Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиком в несколько рядов;
  7. Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
  8. Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
  9. Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
  10. Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).

Три принципа действия оптических датчиков положения

Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. При этом стоит понимать, что датчик может срабатывать как на свет, так и на затемнение.

В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:

  • тип T – датчики с приёмом прямого луча от излучателя;
  • тип R – рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
  • тип D – диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.
Тип датчиков положенияРасстояние обнаружения объекта/ срабатыванияМатериал объекта контроляДостоинства метода измеренийТиповые области применения
Индуктивные датчики положениядо 60 ммМеталлические объектыВозможность работы в условиях загрязненной рабочей среды, высокая частота переключений (до 3 кГц), высокая селективность (срабатывает только на металлы). Возможность измерения сквозь непрозрачные стенкиМеталлообработка, автоматизированные склады, станкостроение и точная механика
Емкостные датчики положениядо 30 ммМеталлические и неметаллические объекты, жидкости, стеклоВысокая чувствительность и малая инерционность, возможность обнаружения объектов из практически любого материала. Возможность измерения сквозь непрозрачные стенкиПищевая и химическая промышленность
Оптические датчики положениядо 60 м для T-типа;
до 35 м для R-типа;
до 3 м для D-типа
Металлические и неметаллические объекты, жидкости, стеклоНаибольший диапазон расстояний срабатывания, высокая частота переключений (до 30 кГц), возможность обнаружения объектов из практически любого материала, возможность обнаружения объектов с высокой температурой и объектов очень малых размеровЭлектронная промышленность, конвейерные системы, контроль доступа и периметра, металлургия и др.
Магнитные датчики положениядо 120 ммОбъекты с магнитными свойствамиВозможность работы в условиях загрязненной рабочей среды, высокая селективность (срабатывает только на объекты с магнитными свойствами). Возможность измерения сквозь непрозрачные стенкиОпределение положения поршня пневмоцилиндров, автоматизированные склады и т.д.

К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:

  • Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;
  • Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
  • Трудоемкая процедура совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
  • Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
  • Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика, из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает, и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
  • Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.

Оптические датчики нашли широкое применение во многих отраслях промышленности благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным исполнениям и относительно невысокой стоимости. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации, так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.

LVDT-датчики перемещения

Датчики перемещения находят применение во многих приложениях, и, хотя выбор устройств довольно широк, все же рассматриваемые в статье датчики компании Macro Sensors следует выделить из ряда подобных благодаря, как минимум, двум причинам. Во-первых, значительный динамический диапазон измеряемых перемещений, во-вторых — способность работать в самых жестких [[условиях эксплуатации]].

Аббревиатура LVDT образована от словосочетания Linear Variable Differential Transformer — линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи. LVDT-датчики — электромеханический преобразователь, преобразующий прямолинейное перемещение объекта, с которым он связан механически, в электрический сигнал. К отличительным особенностям рассматриваемых датчиков можно причислить очень большой динамический диапазон измеряемых перемещений (от десятков микрон до ±0,5 м) и возможность работать в самых жестких условиях эксплуатации. Первое следует из принципа действия, а второе — из конструктивного исполнения.

Существует довольно много импульсных датчиков перемещения, принцип действия которых основан на регистрации момента пересечения (с помощью магнитных или оптронных датчиков) движущимся объектом определенной метки. При наступлении указанного события на выходе датчика генерируется импульс. Подобные устройства по понятным причинам имеют не только ограниченный динамический диапазон измерений перемещений, но и увеличивают ошибку вычисления скорости и ускорения (первая и вторая производная от перемещения), что не всегда является приемлемым. Рассматриваемые в статье LVDT-датчики, в силу того что их выходной сигнал непрерывен, лишены отмеченных недостатков.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ LVDT-ДАТЧИКА

На рисунке 1 схематично представлена конструкция LVDT-датчика, основными составляющими которого являются первичная и две вторичные обмотки (как правило, обмотки расположены на неподвижном сердечнике) и подвижное ядро. Первичная обмотка размещена симметрично между двумя идентичными вторичными обмотками. Катушки расположены на цельном термостабильном армированном полимере и заключены в герметичную оболочку, защищающую их от попадания влаги и агрессивных сред. Подвижное ядро, выполненное из высокопроницаемого магнитного материала, имеет цилиндрическую форму и свободно перемещается по внутренней полости датчика.

Электропитание первичной обмотки осуществляется переменным синусоидальным напряжением — типовое значение 3 В, 3 кГц. Выходным сигналом датчика является разность напряжений вторичных обмоток u8212 — дифференциальное напряжение. Обычно дифференциальное переменное напряжение преобразуется встроенным электронным модулем в сигнал постоянного тока.

На рисунке 2 проиллюстрирован принцип действия LVDT-датчика. Если подвижное ядро находится строго в центре (так называемая нулевая позиция), то магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой Р, симметрично, следовательно магнитные потоки через вторичные обмотки S1 и S2 равны, а значит равны и ЭДС Е1 и Е2, индуцируемые в этих обмотках, а значит равно нулю дифференциальное напряжение. Если же подвижное ядро смещается относительно нулевого положения, то искажается симметрия магнитного поля — через одну из вторичных обмоток, в зависимости от положения ядра, проходит больший магнитный поток, нежели чем через другую (см. рис. 2). Следовательно, различаются и ЭДС, индуцируемые во вторичных обмотках, — чем больше магнитный поток, тем больше ЭДС.

На рисунке 3а показано, как изменяется амплитуда дифференциального выходного напряжения ЕOUT в зависимости от положения ядра внутри сердечника. Максим альное значение ЕOUT обычно достигает нескольких вольт. Угол сдвига фаз выходного напряжения ЕOUT относительно первичного напряжения остается постоянным вплоть до нулевой позиции, при пересечении которой сдвиг фаз изменяется на 180 градусов (см. рис. 3б). Сдвиг фазы можно использовать для определения направления движения относительно нулевой позиции при преобразовании сигнала переменного тока электронным модулем. Тогда выходной сигнал последнего будет иметь вид, как показано на рисунке 3в.

Из принципа действия и конструкции LVDT-датчика следует ряд очевидных преимуществ. Ниже мы перечислим основные из них

Отсутствие трущихся частей — одно из главных преимуществ LVDT-датчика. При использовании в штатном режиме нет механического контакта между подвижным ядром и катушками. Это преимущество особенно важно при измерениях малых перемещений, например при контроле вибраций.

Высокая чувствительность: отсутствие трения и физический принцип действия позволяют измерять очень малые перемещения ядра при хорошей повторяемости результатов измерений. Минимальная величина измерения ограничивается шумом и разрешением индицирующего прибора.

Практически неограниченная механическая износостойкость является следствием отсутствия трущихся частей. Из-за отсутствия трения и механических контактов между ядром и катушками нет факторов, оказывающих отрицательное влияние на механическую износостойкость. Следовательно, повышается надежность, что очень важно при использовании, например, в аэрокосмической промышленности и ядерной энергетике, а также в других приложениях, где надежность является ключевым параметром.

Повышенная защита от выбега за пределы трансформатора. Внутреннее отверстие большинства LVDT-датчиков открыто с обеих сторон, поэтому в случае «зашкаливания» (перемещения контролируемого объекта и жестко связанного с ним ядра за предусмотренные пределы) не происходит механического повреждения датчика — подвижное ядро попросту вылетает за пределы датчика, не нанося тому никаких повреждений. Эта неуязвимость очень хороша для применений в тензометрах и экстензометрах (приборы для измерения удлинений), которые используются в тестах на растяжение материалов.

Читать еще:  Магнитоконтактный извещатель (геркон) ключевой элемент системы охранной сигнализации

Одно направление чувствительности. LVDT-датчик реагирует на перемещение ядра только в одном направлении и нечувствителен к перемещению в других направлениях. Эта особенность важна в приложениях, когда ядро передвигается не по идеальной прямой линии, а слегка «рыскает » при перемещении.

Разделение катушек и ядра. Катушки механически отделены от подвижного ядра, причем катушки помещены в герметичную капсулу. Это обстоятельство часто используется для применения LVDT в гидроприводах и сервоприводах.

Устойчивость к воздействию внешней среды. Материалы и конструкция, используемые в LVDT, антикоррозионные, износоустойчивые и прочные, что делает LVDT маловосприимчивым к негативным воздействиям внешней среды. Обмотки залиты эпоксидной смолой и почти невосприимчивы к влажности и осадкам, хорошо противостоят одиночным ударам и вибрациям. Внутренний экран из магнитопроницаемого материала минимизирует эффект внешних электромагнитных полей. И ядро и сердечник изготовлены из антикоррозионных материалов, также являющихся магнитными экранами. Для применения датчика во взрыво- и пожароопасных средах, а также в агрессивных средах датчик может быть изолирован от внешней среды посредством заключения в капсулу и «запечатан» с помощью сварки. Обычно LVDT-датчики работают в расширенном диапазоне рабочих температур и могут применяться и в криогенной технике, и при повышенных температурах и радиации, например в ядерных реакторах.

Повторяемость нулевой точки. Положение нулевой точки чрезвычайно стабильно и повторяемо даже при сверхшироких температурных диапазонах.

Хорошие динамические свойства. Отсутствие трения позволяет LVDT очень быстро изменять положение ядра. Динамический отклик ограничивается только массой ядра. Примеры применения LVDT-датчиков приведены в [1].

ЭЛЕКТРОННЫЙ МОДУЛЬ LVDT

Для электропитания LVDT-датчиков требуется синусоидальное переменное напряжение (обычно 3 В и 3 кГц), формирование которого является одной из задач электронного модуля. Другая функция модуля состоит в преобразовании и усилении дифференциального переменного напряжения в знакопеременный выходной сигнал с учетом направления движения (сдвиг фазы дифференциального напряжения от напряжения на первичной обмотке). Сегодня доступны различные электронные модули — от кристаллов до печатных плат. Производятся также индикаторы для работы с LVDT-датчиками, например [2].

Потенциометрические датчики

Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

По способу выполнения сопротивления потенциометрические датчики делятся на

ламельные с постоянными сопротивлениями;

проволочные с непрерывной намоткой;

с резистивным слоем.

Ламельные потенциометрические датчики использовались для проведения относительно грубых измерений в силу определенных конструктивных недостатков.

В таких датчиках постоянные резисторы, подобранные по номиналу специальным образом, припаиваются к ламелям.

Ламель представляет собой конструкцию с чередующимися проводящими и непроводящими элементами, по которой скользит токосъемный контакт. При движении токосъемника от одного проводящего элемента к другому суммарное сопротивление подключенных к нему резисторов меняется на величину соответствующую номиналу одного сопротивления. Изменение сопротивлений может происходить в широких пределах. Погрешность измерений определяется размерами контактных площадок.

Ламельный потенциометрический датчик

Проволочные потенциометрические датчики предназначены для более точных измерений. Как правило их конструкции представляют собой каркас из гетинакса, текстолита или керамики, на который в один слой, виток к витку намотана тонкая проволока, по зачищенной поверхности которой скользит токосъемник.

Диаметр проволоки определяет класс точности потенциометрического датчика (высокий-0,03-0,1 мм , низкий 0,1-0,4 мм). Материалы провода: манганин, фехраль, сплавы на основе благородных металлов. Токосъемник выполнен из более мягкого материала, чтобы исключить перетирание провода.

Преимущества потенциометрических датчиков:

малые габариты и вес;

высокая степень линейности статических характеристик;

возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки потенциометрических датчиков:

наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка;

погрешность в работе за счет нагрузки;

сравнительно небольшой коэффициент преобразования;

высокий порог чувствительности;

подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика потенциометрических датчиков

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического датчика

Рассмотрим на примере потенциометрического датчика с непрерывной намоткой. К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т.к. справедливо соотношение : Uвых=(U/R)r,

где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l, где l — общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В/м],

где К — коэффициент преобразования (передачи) датчика.

Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку. Статическая характеристика такого датчика имеет вид представленный на рисунке.

Реверсивная схема потенциометрического датчика

Статическая характеристика реверсивного потенциометрического датчика

Полученные идеальные характеристики могут существенно отличатся от реальных за счет наличия различного рода погрешностей:

Выходное напряжение меняется дискретно от витка к витку, т.е. возникает эта зона, когда при малом входная величина Uвых не меняется.

Величина скачка напряжения определяется по формуле: DU=U/W, где W- число витков.

Порог чувствительности определяется диаметром намоточного провода: Dx=l/W.

Зона нечувствительности потенциометрического датчика

2.Неравномерность статической характеристики из-за непостоянства диаметра провода, удельного сопротивления и шага намотки.

3.Погрешность от люфта, возникающего между осью вращения движка и направляющей втулкой (для уменьшения используют поджимные пружины).

4. Погрешность от трения.

При малых мощностях элемента приводящего в движение щетку потенциометрического датчика может возникать за счет трения зона застоя.

Необходимо тщательно регулировать нажим щетки.

5.Погрешность от влияния нагрузки.

В зависимости от характера нагрузки возникает погрешность, как в статическом, так и в динамическом режимах. При активной нагрузке изменяется статическая характеристика. Величина выходного напряжения будет определяться в соответствии с выражением: Uвых=(UrRн)/(RRн+Rr-r2)

Т.е. Uвых=f(r) зависит от Rн. При Rн>>R можно показать, что Uвых=(U/R)r;

при Rн приблизительно равном R зависимость нелинейна, и максимальная погрешность датчика будет при отклонении движка на (2/3))l. Обычно выбирают Rн/R=10…100. Величина ошибки при x=(2/3)l может быть определена из выражения : E=4/27 η , где η =Rн/R — коэффициент нагрузки.

Потенциометрический датчик под нагрузкой

Динамические характеристики потенциометрических датчиков

Для вывода передаточной функции удобнее за выходную величину взять ток нагрузки, его можно определить пользуясь теоремой об эквивалентном генераторе. Iн=Uвых0/(Rвн+Zн)

Рассмотрим два случая:

1.Нагрузка чисто активная Zн=Rн т.к. Uвых0=K1x Iн=K1x/(Rвн+Rн)

где K1 − коэффициент передачи датчика на холостом ходу.

Применяя преобразование Лапласа, получим передаточную функцию W(p)=Iн(p)/X(p)=K1/(Rвн+Rн)=K

Таким образом, мы получили безынерционное звено, а значит датчик имеет все, соответствующие этому звену частотные и временные характеристики.

2. Нагрузка индуктивная с наличием активной составляющей .

Применяя преобразование Лапласа получим Uвыхx(p)=Iн(p)[(Rвн+pL)+Rн]

Путем преобразований можно прийти к передаточной функции вида W(p)=K/(Tp+1) – апериодическое звено 1-го порядка,

Собственные шумы потенциометрического датчика

Как было показано, при движении щетки от витка к витку напряжение на выходе меняется скачком. Погрешность, создаваемая ступенчатостью имеет вид пилообразного напряжения, наложенного на выходное напряжение передаточной функции ,т.е. представляет собой шум. При наличии вибрации щетки при движении также создается шум (помеха). Частотный спектр вибрационного шума лежит в области звуковых частот.

Для устранения вибрации токосъемники выполняют из нескольких проволочек различной длины сложенных вместе. Тогда собственная частота каждой проволочки будет различна, это препятствует появлению технического резонанса. Уровень тепловых шумов- низок, их учитывают в особо чувствительных системах.

Функциональные потенциометрические датчики

Необходимо отметить, что в автоматике часто для получения нелинейных зависимостей используются функциональные передаточной функции. Их построение производится тремя способами:

изменением диаметра проволоки вдоль намотки;

изменением шага намотки;

применением каркаса определенной конфигурации;

шунтированием участков линейных потенциометров сопротивлениями различной величины.

Например, чтобы получить квадратичную зависимость по 3-му способу, нужно чтобы ширина каркаса изменялась по линейному закону, как это показано на рисунке.

Функциональный потенциометрический датчик

Обычные потенциометрические датчики имеют ограниченный диапазон работы. Его величина задана геометрическими размерами каркаса и числом витков обмотки. Их увеличивать беспредельно нельзя. Поэтому нашли применение многооборотные потенциометрические датчики, у которых резистивный элемент свит по винтовой линии с несколькими витками, их ось должна повернуться несколько раз, чтобы движок переместился с одного конца обмотки на другой, т.е. электрический диапазон таких датчиков кратен 3600.

Основным достоинством многооборотных потенциометров является высокая разрешающая способность и точность, что достигается благодаря большой длине резистивного элемента при малых общих габаритах.

Фотопотенциометр − представляет собой бесконтактный аналог обычного потенциометра с резистивным слоем, механический контакт в нем заменен фотопроводящим, что, конечно, повышает надежность и срок службы. Сигналом с фотопотенциометра управляет световой зонд, выполняющий роль движка. Он формируется специальным оптическим устройством и может смещаться в результате внешнего механического воздействия вдоль фотопроводящего слоя. В месте засветки фотослоя возникает избыточная по сравнению с темновой фотопроводимость и создается электрический контакт.

Фотопотенциометры делятся по назначению на линейные и функциональные.

Функциональные фотопотенциометры позволяют пространственное перемещение источника света преобразовать в электрический сигнал заданного функционального вида за счет профилированного резистивного слоя (гиперболические, экспоненциальные, логарифмические).

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Датчики линейного перемещения принцип работы


Оптоэлектронные преобразователи линейных перемещений.

Преобразователи линейных перемещений предназначены для информационной связи по положению между позиционируемым объектом и устройством числового программного управления (УЧПУ) или устройством цифровой индикации (УЦИ). К этому классу преобразователей принадлежат оптоэлектронные растровые преобразователи «ЛИР» фирмы СКБ ИС. Особенность линейных оптоэлектронных растровых преобразователей перемещения заключается в использовании в качестве меры длины линейной шкалы, являющейся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью на материалы с заданным коэффициентом линейного расширения, а также стабильность их геометрического положения позволяют создавать преобразователи 3-4 классов точности.

Высокая степень защищенности конструктивного исполнения преобразователей, а также их высокая устойчивость к внешним воздействиям обеспечили растровым преобразователям широкий спектр областей промышленного и научного применения.

Принцип действия преобразователей линейных перемещений

В основу работы преобразователей перемещения положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 сопряжения регулярного растра шкалы с растрами анализатора модулируют проходящий через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими фотоприемниками. Растровая шкала содержит две параллельные информационные дорожки: регулярного растра и референтных меток.

Растровый анализатор содержит 4 окна А, А, В, В инкрементного считывания и окно референтной метки Б. Названные выше 4 окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регулярного растра шкалы (20 мкм или 40 мкм). При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину, равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно Г. Референтная метка Б позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы.

Считывающий узел (считывающая головка) преобразователя перемещений решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине линейного перемещения, а также задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

Конструктивно первую задачу решает каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой, что делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора. Вторую задачу реализуют платы фотоприемников 2 и осветителей 4, установленные на ту же каретку, и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении, расположенная в корпусе считывающей головки. Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы 2.

Построенный таким образом канал считывания информации позволяет сформировать два ортогональных периодических сигнала I а и I В, исключив из них постоянную составляющую. Взаимный характер изменения указанных сигналов дает возможность определить направление перемещения, а число их периодов при данном перемещении его величину. Специальные методы обработки сигналов IA и I В позволяют обеспечить контроль перемещения с дискретностью, много меньшей периода регулярного растра.

Для возможности задания собственного начала отсчета в преобразователях перемещения используется дорожка референтных меток, содержащая, как минимум, одну функционирующую референтную метку, представляющую собой специальный растр, с заданной функцией расположения штрихов и их ширины.

В процессе относительного перемещения шкалы и считывающей головки при совмещении полей Д шкалы и.поля Б анализатора с фотоприемника, сопряженного с полем Б, снимается аналоговый сигнал координатно-зависимой величины с ярко выраженным максимумом. Этот сигнал используется устройством обработки для координатной привязки считывающего узла к началу отсчета преобразователя. При этом учитывается значение опорного сигнала, задаваемого фотоприемником, соответствующим окну Г анализатора.

В преобразователях перемещений ЛИР-7. 10 перемещающимся элементом в процессе эксплуатации может быть как шкала, так и считывающая головка. Выбор делает потребитель при монтаже преобразователя на изделии.

В преобразователях ЛИР-14,15,17 и 19 шкала жестко связана со штоком, который получает рабочее перемещение относительно анализатора неподвижного считывающего узла через контакт его наконечника с изделием потребителя.

Координатно-кодированное расположение референтных меток Д.

Тема 7. Датчики перемещений, положения, уровня, ускорения.

Датчики перемещений, положения, уровня: потенциометрические, гравитационные, ёмкостные, индукционные и магнитные датчики, оптические, ультразвуковые. Датчики толщины и уровня. Пьезорезистивные, пьезоэлектрические и емкостные датчики ускорения.

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Все датчики перемещения можно разделить на две основных категории датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть: емкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными и датчики на основе эффекта Холла.

Емкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия.

Индуктивные датчики перемещения. В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатор.

Вихретоковые датчики перемещения. Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создает магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объеме вихревые токи, которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле.

Ультразвуковые датчики перемещения. В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, которые обычно заключены в компактный корпус.

Магниторезистивные датчики перемещения. В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля.

Датчики на основе эффекта Холла. Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла — прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Потенциометрические датчики перемещения. Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора).

Датчик движения представляет собой устройство, при помощи которого в зоне обнаружения можно определить движение объекта. Применяются такие приборы в охранной сигнализации (в таком случае они имеют название инфракрасных извещателей), а также в быту – для автоматического включения освещения. Мы рассматриваем датчики, которые используются в системах охранной сигнализации.

Виды датчиков движения.

По принципу действия:

По конструкционным особенностям:

1-позиционные. Когда приемник и передатчик расположены в одном блоке;

2-х позиционные. Передатчик и приемник – в разных блоках;

многопозиционные. Когда в системе находится больше двух блоков приемников и передатчиков.

Датчики движения бывают:

активные датчики движения. В этом случае используется передатчик, который излучает один или несколько инфракрасных лучей, и приемник, который их улавливает. В случае пересечения человеком лучей, выдается соответствующий сигнал;

пассивные датчики движения. Передатчика нет, есть приемник ИК излучения человека, который реагирует на тепло и выдает соответствующий сигнал на выходное реле. В низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения. Как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на принципе магнитной индукции.

Акселерометры считаются устройствами с одной степенью свободы. В состав всех акселерометров входят: специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстает от движения корпуса, упругая поддерживающая система (пружина) и демпфирующее устройство.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на

однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трех осей.

Чувствительным элементом пьезорезистивных акселерометров является тензодатчик, измеряющий деформацию пьезорезистивных элементов, поддерживающих инерционную массу, путем измерения их сопротивлений, зависящих от степени деформации. Эта деформация пропорциональна величине и скорости перемещения массы, а значит и ускорению. Такие устройства могут измерять ускорения в широком частотном диапазоне: 0. 13 кГц. При разработке соответствующей конструкции пьезорезистивные акселерометры выдерживают перегрузку, равную 10000g.

В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект, заключающийся в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру с электрическими диполями. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд-напряжение или ток-напряжение. Эти датчики работают в широком температурном диапазоне (до 120 градусов по С) с высокой линейностью в частотном диапазоне 2 Гц до 5 кГц.

Емкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надежным. Емкостной датчик ускорений состоит, по крайней мере, из двух пластин: стационарной, часто соединенной с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к которой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними, а значит и от ускорения движения, испытываемого датчиком. Максимальное перемещение, определяемое емкостным акселерометром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений емкостей конденсаторов.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector