– это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории – датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.
По принципу действия датчики перемещения могут быть:
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.
Набольшее распространение получили так называемые ключевые датчики Холла, т.е. такие датчики, выход которых меняет свое логическое состояние при превышении напряженностью магнитного поля определенной величины. Однако существует отдельный класс интегральных микросхем с элементом Холла, позволяющий значительно расширить область применения. Речь идет о так называемых линейных датчиках Холла.
В большинстве случаев для измерения перемещения объектов используют линейные датчики Холла совместно с постоянными магнитами. Это обусловлено тем, что для поддержания максимальной линейности необходимо обеспечить большую величину изменения магнитного поля при изменении расстояния между датчиком и опорной точкой на перемещающемся объекте. Линейная зависимость и изолированность от измеряемого тока делает линейный токовый датчик идеальной схемой для контроля двигателя. Выход интегральной схемы датчика Холла пропорционален току в проводнике, выходной линейный сигнал точно воспроизводит форму измеряемого тока. Следует отметить, что линейный токовый датчик определяет величину магнитного поля, создаваемого протекающим током, но не сам ток. Форма напряжения на выходе датчика Холла соответствует форме измеряемого тока. Конструктивное исполнение обеспечивает изоляцию датчика и гарантирует нормальную работу при большом токе или высоком напряжении. Кроме того, токовые датчики следует использовать в области значений, близких к максимальным, т.к. это уменьшает влияние шумов.
Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Наиболее популярной является схема оптической триангуляции – датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол
отражения, что даёт возможность определить длину – расстояние до объекта (рисунок 2.12). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.
В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор (рисунок 2.13). Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо
способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.
Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е. датчик может «обращать внимание» только на объекты с хорошей отражающей способностью, прочие объекты игнорируются.
Разумеется, чувствительность к поляризации негативно сказывается на стоимости подобных устройств.
В данной группе датчиков изменяющимся параметром управляемой цепи является индуктивное сопротивление:
где – частота переменного тока; – индуктивность датчика, изменяющаяся при перемещении подвижной системы датчика.
Эти системы применяются лишь на переменном токе.
Принцип действия индуктивных датчиков основан на том, что в перемещение, которое предполагается измерить, вовлекается один из элементов магнитного контура, который вызывает тем самым изменение потока через измерительную обмотку и соответствующий электрический сигнал. Если подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, то его перемещение проявляется:
По схеме построения датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две. В дифференциальном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину,
но с обратным знаком. Различные варианты реализации индуктивных датчиков приведены в таблице 2.2.
Рассмотрим одинарный индуктивный датчик, представленный на рисунке 2.5. В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора.
Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3, удерживающегося пружинами. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как:
где – активное сопротивление дросселя; – индуктивность датчика.
Т. к. активное сопротивление цепи – величина постоянная, то изменение тока может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей:
которая зависит от величины воздушного зазора
Таким образом, каждому значению соответствует определенное значение , создающего падение напряжения на сопротивлении , которое и представляет собой выходной сигнал датчика:
Можно вывести аналитическую зависимость при условии, что зазор достаточно мал и потоками рассеяния можно пренебречь, и пренебречь магнитным сопротивлением железа по сравнению с магнитным сопротивлением воздушного зазора
В реальных устройствах активное сопротивление цепи намного меньше индуктивного, тогда выражение сводится к виду:
Зависимость имеет линейный характер (в первом приближении) и представлена на рисунке 5 б.
Индуктивность дросселя при ненасыщенном магнитопроводе может быть выражена следующей формулой:
где ω – число витков обмотки дросселя; – магнитное сопротивление
сердечника и якоря; – длина воздушного зазора, м; – площадь поперечного сечения воздушного зазора, м2.
Для тока и тангенса угла сдвига фаз в цепи нагрузки имеем:
где – активное сопротивление обмотки дросселя; Zн = Rн + јωLн – полное (комплексное) сопротивление нагрузки.
Таким образом, при изменении длины или площади поперечного сечения Sв – воздушного зазора будет изменяться величина тока и угол сдвига фаз между векторами напряжения тока.
Одинарный индуктивные датчики имеют высокую чувствительность и надежность, практически неограниченный срок службы, большую мощность выходного сигнала (до нескольких ватт), что позволяет в ряде случаев не применять усилитель. К недостаткам одинарных индуктивных датчиков следует отнести нереверсивность характеристики, небольшой диапазон перемещений
якоря, наличие тока холостого хода и электромагнитной силы притяжения между якорем и статором, влияние колебаний амплитуды и частоты напряжения
питания. Эти недостатки полностью или частично отсутствуют у дифференциальных индуктивных датчиков.
Обычно применяют дифференциальную или мостовую схемы включения датчика. Дифференциальная схема включения подобной системы с двумя дросселями показана на рисунок 2.6 а, а мостовая – на рисунок 2.6 б.
Дифференциальный индуктивный датчик содержит два статора с катушками индуктивности и один общий якорь. При перемещении якоря индуктивность одной катушки увеличивается, другой – уменьшается. Катушки индуктивности включаются или в дифференциальную измерительную схему, или как смежные плечи в мостовую измерительную схему.
Дифференциальные индуктивные датчики по сравнению с однотактными имеют более высокую точность преобразования и чувствительность. Статическая характеристика этих датчиков линейная и реверсивная.
В одной из конфигураций датчика – дифференциального трансформатора чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (рисунок 2.7). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной
обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.
Магниторезистивные датчики перемещения
В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного
напряжения (рисунок 2.16). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.
С помощью ультразвуковых датчиков могут определяться твердые, жидкие, зернообразные и порошкообразные объекты.
Объекты, величина шероховатости, поверхности которых превышает 0,15 мм, имеют преимущество в том, что их поверхность не должна быть направлена точно на сам датчик, однако для них рабочий диапазон уменьшается.
Окраска объекта не оказывает никакого влияния на расстояние срабатывания; также прозрачные объекты из стекла или оргстекла определяются надежно. Температура объекта влияет на рабочий диапазон: горячие поверхности отражают звук хуже, чем холодные.
Поверхности жидкостей отражают звук подобно твердым, гладким телам. Следует обращать внимание на правильную ориентацию датчика.
В мостовой схеме одна пара диагональных элементов моста включает шунтирующие полосы, которые расположены под углом +45° к оси полосы, другая пара – под углом –45°. Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием поля соответствует равному уменьшению второй пары. Результирующий дифференциальный сигнал является линейной функцией
амплитуды внешнего магнитного поля, нормального к оси полосы в ее плоскости.
Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке наподобие лабиринта.
Поэтому мостовые датчики в исполнении с зазубренными полосами рекомендуются для многих измерений – скорости, углов, тока, а также подходят для измерений слабых полей. Достоинствами таких преобразователей являются: высокая чувствительность, линейность, возможность определить направление поля.
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 создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле
(рисунок 2.14). Параметры вторичного поля определяются регистратором, и на их основании вычисляется расстояние до объекта, так как чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный принцип используется и в вихретоковых дефектоскопах, однако там, на параметры вторичного магнитного поля влияет не расстояние до объекта, а наличие в его внутренней структуре скрытых несовершенств. Метод является бесконтактным, однако
может применяться только для металлических тел.
Вихретоковые преобразователи (вихретоковые датчики) предназначены для бесконтактного измерения вибрации перемещения и частоты вращения электропроводящих объектов. Они применяются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов. Наиболее часто объектом контроля является осевое смещение и радиальная вибрация вала
ротора относительно корпуса.
Каталог
вихретоковые датчикипотенциометрический датчик углового перемещениятросиковые датчикивихретоковый датчик
Ультразвуковые датчики перемещения
В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором (рисунок 2.15), которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приёма ультразвукового
импульса позволяет измерять расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на
сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений опять же можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультрозвуковых дефектоскопах.
датчик перемещенияинкреметнальный энкодертросовый датчиквихретоковый датчик
Датчики линейных перемещений
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. ЗАО “Сенсор Системс”, являясь официальным дистрибьютором компании Waycon Positionmesstechnik, предлагает широкий выбор датчиков перемещения (датчиков положения): датчики перемещения тросикового (поводкового) типа, магнитострикционные, индуктивные датчики (LVDT), потенциометрические, тензометрические, вихретоковые, ультразвуковые и лазерные датчики положения. Датчики линейных перемещений широко применяются при проведении испытаний, в решении задач мониторинга и промышленной автоматизации, в станках, гидроцилиндрах и множестве других устройств. В данный раздел также отнесены цифровые линейки и щупы.
Измерительные устройства с вытяжным тросовым механизмом довольно широко применяются в подъемно-транспортной технике, станках, ситемах контроля положения цилиндров, металло- и деревообработке. Тросиковые датчики имеют свои особенности – они достаточно точны при измерении больших перемещений, недороги, просты в монтаже и долговечны. Благодаря различным вариантам исполнения поводковые датчики можно использовать в жестких индустриальных условиях в качестве частей автоматизированного упарвления.
Индуктивные линейные преобразователи широко применяются в различных промышленных системах, благодаря своей высокой надежности, сравнительно низкой стоимости и практически неограниченному сроку службы. Принцип действия датчиков перемещения LVDT основан на индуктивном преобразовании механического движения в электрический сигнал. Индуктивные датчики являются бесконтактными, так как между движущимся сердечником и обмоткой есть зазор. Благодаря этому такие датчики почти не подвержены износу. Прочный корпус позволяет эксплуатировать их в тяжелых условиях – под давлением, при высоких температурах, под водой.
Лазерные датчики перемещения работают по принципу триангуляции, обеспечивающему высокую точность. Благодаря интеллектуальному анализу сигнала происходит быстрый замер данных как статических, так и движущихся объектов. Лазерные триангуляционные датчики широко применяются в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), например, для контроля длины отреза в дерево- или металлообработке, для определения положения объектов на конвейерной ленте, для бесконтактных измерений расстояния в труднодоступных местах.
Линейные потенциометры – это хорошо известные преобразователи перемещения. Принцип их работы – распределение напряжения на гибридную проводящую пленку. Типы корпуса и способы монтажа могут быть разными, например, модификации для гидравлических цилиндров со сферическим зажимом для монтажа или с амортизатором. Мы предлагаем линейные потенциометры с классом защиты IP 68 и бесконтактной измерительной системой, а также новое поколение линейных потенциометров. Кольцевой магнит обеспечивает бесконтактную связь преобразователя с внутренним устройством датчика. В отличие от традиционных систем, датчики этой серии глушат дополнительные вибрации на бесконтактном магнитном кольце.
Вихретоковые датчики – незаменимые износостойкие маленькие помощники при измерении расстояний на металлических объектах с невероятно высоким разрешением (до нанометров) бесконтактным способом. Высокочастотные силовые линии обеспечивают принцип измерения с беспрепятственным прохождением сигнала сквозь неметаллические объекты. Это свойство позволяет проводить измерения под олеографическим или гидравлическим давлением, а также в твердой почве и при сильном загрязнении. Кроме того, можно заполнять части корпуса и пластиковые детали, захватывая металлические объекты, находящиеся за ними. Лаки и пленки можно проверять на предмет прочности слоев.
Датчики перемещения серии SDS/R относятся к семейству тензодатчиков и обладают теми же преимуществами, присущими для линейности, разрешения и гибкости. Они совместимы с широким спектром измерительных систем, использующих сигнал мВ/В, в которых применяются датчики силы, давления, ускорения, вибрации и т.д. Тензометрические датчики перемещения одинаково хорошо работают как на переменном, так и на постоянном токе, обеспечивая точные измерения, низкий уровень шума, низкое энергопотребление при значительно меньших затратах, чем индуктивные датчики типа LVDT.
Магнитострикционные датчики – датчики линейных перемещений на основе явления магнитострикции. Датчик состоит из блока электроники, стержня (волновода) и подвижного курсора в виде постоянного магнита. Из блока электроники по волноводу передается ультразвуковой импульс. Из-за магнитострикционного эффекта магнит создает механическую деформацию волновода. Ультразвуковая волна отражается от деформации и возвращается в блок электроники, который измеряет время прохождения волны до магнита и обратно. Таким образом определяется, на каком расстоянии от блока электроники расположен магнит.
Магнитострикционные датчики широко применяются для определения положения штока гидравлических и пневматических цилиндров. Для этого на поршень устанавливается магнитный курсор, а датчик встраивается в оголовок цилиндра таким образом, чтобы стержень волновода проходил внутри полого штока цилиндра. Есть возможность наружного монтажа датчика. Датчики также применяются для измерения уровня жидкостей, особенно в баках гидравлики. Для этого существуют магнитные курсоры в виде поплавка.
Бюджетное решение для бесконтактных измерений расстояний (перемещений), использующее ультразвуковые преобразователи в качестве чувствительного элемента. Представлены датчики двух типов – датчики расстояния и датчики приближения, а также комбинированные версии. Датчики расстояния используются для обнаружения объектов и бесконтактного определения расстояния до них. Измеренное расстояние преобразуется в нормализованный аналоговый выходной сигнал. Датчики приближения (реле приближения) срабатывают при приближении (удалении) объекта от датчика на заданное расстояние. По результатам срабатывания датчика может выдаваться предупредительный сигнал или замыкаться (размыкаться) силовое реле, обеспечивающее включение (отключение) процесса.
Цифровые линейки используются на станках (токарных, фрезерных, сверлильных, листогибных и др.) для контроля перемещения траверсы/каретки/шпинделя, в составе координатных столов и др. В разделе представлены магнитные и оптические линейки в сборе (магнитная лента установлена в корпусе из алюминиевого профиля, считывающая головка перемещается в направляющих, защищенных от загрязнения уплотнениями), но могут поставляться также комплектующие (считывающие головки, магнитные ленты) для изготовления пользовательских линеек.
Датчики для высокоточных лабораторных контактных измерений.
Датчик представляет собой щуп, наколнечник которого прижимается к контролируемому объекту под действием усилия пружины. Поставляются различные варианты наконечников. Имеются варианты с пневмоприводом.
В основе датчика – высокоточный линейный энкодер. Выходной сигнал – инкрементальный импульсный TTL или синусоидальный 1 В.
Датчики применяются в лабораториях линейно-угловых измерений, ОТК, в прецизионном промышленном оборудовании.
Емкостные датчики – предоставляют возможность проведения бесконтактных измерений расстояний до объектов с токопроводящей поверхностью. Измерения проводятся с микронной точностью, температура, магнитные поля и радиация практически не оказывают влияния на результаты измерений. Возможно проведение измерений при низких температурах, вплоть до абсолютного нуля и в условиях глубокого вакуума. Датчики работают в среде нетокопроводящих жидкостей и газов. Основное применение датчиков – контроль соосности и биения валов, зазоров в подшипниках, допусков изготовления деталей, а также экспериментальные исследования в жестких условиях.
Магнитострикционные датчики перемещения
Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал – волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (см. рисунок 2.17). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Видемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.
Магнитострикция – изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании – вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно
велико.
Магнитострикционные преобразователи преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т.е. на том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы,
спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного
магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие
преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в
другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне от 20 до 50 кГц, на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.
