Магнитный датчик определяет угол поворота с точностью +10

Энкодер / преобразователь угловых перемещений – устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Широко применяются в промышленности.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементальный энкодер выдает за один оборот определенное количество импульсов. А абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов оси.

Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применение сельсинов.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен,т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

Рис. 1. Кодовый диск абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

Двоичный код

Двоичный код – это широкораспространенный код, который может обрабатываться непосредственно микропроцессором и является основным кодом для обработки цифровых сигналов. Двоичный код состоит только из 0 и 1.

Построение ДК осуществляется по следующему принципу:

Таким образом выглядит в данном случае число 10 в двоичном коде.

Наибольшее число, которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от количества используемых разрядов, т.е. от количества битов в комбинации, выражающей число. Например, для выражения числовых значений от 0 до 7 достаточно иметь 3-разрядный или 3-битовый код:

Отсюда видно, что для числа больше 7 при 3-разрядном коде уже нет кодовых комбинаций из 0 и 1. Переходя от чисел к физическим величинам сформулируем вышеприведенное утверждение в более общем виде: наибольшее количество значений m какой-либо величины (угла поворота, напряжения, тока и др.), которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от числа используемых разрядов n как m =2 n . Если n =3, как в рассмотренном примере, то получим 8 значений, включая ведущий 0. Двоичный код является многошаговым кодом. Это означает, что при переходе с одного положения (значения) в другое могут изменяться несколько бит одновременно. Например, число 3 в двоичном коде = 011. Число же 4 в двоичном коде = 100. Соответственно, при переходе от 3 к 4 меняют свое состояние на противоположное все 3 бита одновременно. Считывание такого кода с кодового диска привело бы к тому, что из-за неизбежных отклонений (толеранцев) при производстве кодового диска изменение информации от каждой из дорожек в отдельности никогда не произойдет одновременно. Это, в свою очередь, привело бы к тому, что при переходе от одного числа к другому кратковременно будет выдана неверная информация. Так при вышеупомянутом переходе от числа 3 к числу 4 очень вероятна кратковременная выдача числа 7, когда, например, старший бит во время перехода поменял свое значение немного раньше чем остальные. Таким образом, использование обычного двоичного кода может привести к большим погрешностям, так как две соседние кодовые комбинации могут отличаться друг от друга не в одном, а в нескольких разрядах. Чтобы избежать этого применяется так называемый одношаговый код, например, так называемый Грей-код.

Код Грея

Код Грея предпочтительнее обычного двоичного тем, что обладает свойством непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде. Он строится на базе двоичного по следующему правилу: старший разряд остается без изменения; каждый последующий разряд инвертируется, если предыдущий разряд исходного двоичного кода равен единице. Этот алгоритм построения может быть формально представлен как результат сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний правый разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом, т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то один бит. Погрешность при считывании информации с механического кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другом будет лишь несколько смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового положения при переходе от одного положения к другому полностью исключается. Преимуществом Грей-кода является также его способность зеркального отображения информации. Так, инвертируя старший бит можно простым образом менять направление счета и, таким образом, подбирать к фактическому (физическому) направлению вращения оси. Изменение направления счета может легко изменяться, управляя так называемым входом ” Complement “. Выдаваемое значение может быть возврастающим или спадающим при одном и том же физическом направлении вращения оси.

Поскольку информация, выраженная в Грей-коде, имеет чисто кодированный характер не несущей реальной числовой информации, должен он перед дальнейшей обработкой сперва преобразован в стандартный бинарный код. Осуществляется это при помощи преобразователя кода (декодера Грей-Бинар), который к счастью легко реализируется с помощью цепи из логических элементов «исключающее или» ( XOR ) как программным, так и аппаратным способом (см. схему ниже).

Из таблицы видно, что при переходе от одного числа к другому (соседнему) лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено кодом Грея, в то время, как в двоичном коде могут поменять свое состояние несколько бит одновременно. Код Грея – выход, следовательно, он никогда не имеет ошибку чтения и применяется во многих абсолютных энкодерах.

Биты меняющие свое состояние, при переходе от одного числа к другому, обозначены красным цветом.

Используйте такую схему для преобразования Кода Грея в двоичный код.

Рис. 2. Схема для преобразования Кода Грея в двоичный код

Примечание:
*Код Грея может логически преобразовываться в двоичный код когда терминал Vin подключается к 0 V.
**Инвертор
***Исключающее или

Gray-Excess-Code

Обычный одношаговый Грей-код подходит для разрешений, которые могут быть представлены в виде числа возведенного в степень 2. В случаях, где надо реализовать другие разрешения из обычного Грей-кода, вырезается и используется средний его участок. Таким образом, сохраняется «одношаговость» кода. Однако числовой диапазон начинается не с нуля, а смещяется на определенное значение. При обработке информации от генерируемого сигнала отнимается половина разницы между первоначальным и редуцированным разрешением. Такие разрешения как, например, 360° для выражения угла часто реализируются этим методом. Так 9-ти битный Грей-код равный 512 шагов, урезанный с обеих сторон на 76 шагов будет равен 360°.

Измерительная система абсолютного энкодера состоит из поворотной оси, монтированной на двух высокопрецизионных подшипниках, кодового диска, установленного на ось, а также опто-электронной считывающей матрицы и схемы обработки сигнала. В качестве источника света служит светодиод, инфракрасные лучи которого просвечивают кодовый диск и попадают на фототранзисторную матрицу, расположенную с обратной стороны кодового диска. При каждом шаге углового положения кодового диска темные участки кода предотвращают попадание света на те или иные фототранзисторы фототранзисторной матрицы. Таким образом, темные – светлые участки каждой из дорожек будут отображены на фототранзисторной матрице и преобразованы в электрические сигналы. Электрические сигналы, в свою очередь, подготавливаются операционными усилителями и выходными трайберами для выдачи в виде n -бит бинарного сигнала. Изменения интенсивности источника светового потока регистрируются с помощью дополнительного сенсора и компенсируются электронной схемой.

Однооборотный энкодер

Однооборотными ( Single – Turn ) датчиками называются датчики, которые выдают абсолютное значения в пределах одного оборота, т.е. в радиусе 360°. После одного оборота код является полностью пройденым и начинается опять с его начального значения. Эти датчики служат, преимущественно, для измерения угла поворота и применяются, например, в антенных системах, эксцентричных коленчатых пресах и т.д.

Рис. 1. Устройство однооборотного энкодера

Многооборотный энкодер

Линейные перемещения предполагают необходимым применение измерительной системы с n -количеством оборотов. Например, при линейных приводах или при задачах измерения с помощью зубчатой измерительной штанги, применение однооборотных датчиков является неприемлемым. В этом случае приходят на помощь датчики, где дополнительно к измерению угла поворота в пределах одного оборота также происходит регистрация количества оборотов с помощью дополнительно встроенного передаточного механизма, т.е. своего рода редуктора из нескольких кодовых оптических дисков, образуя, таким образом, многооборотный энкодер ( Multi – Turn ).

Рис. 2. Устройство многооборотного энкодера

Оптические энкодеры имеют жёстко и закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры с высокой точностью регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Представленные датчики соединяются с вращающимся объектом посредством нормального или полого вала, последний может быть как сквозным, так и несквозным (тупиковым). Вал вращающегося объекта и вал энкодера соединяют механически при помощи гибкой или жёсткой соединительной муфты. В качестве альтернативы энкодер монтируют непосредственно на вал объекта, если энкодер имеет полый вал. В первом случае вероятная несоосность и допустимые биения компенсируются деформацией гибкой втулки. Во втором возможна фиксация энкодера посредством штифта.

Искать в каталоге
Искать в этой группе

Датчики угла (энкодеры)

Sensata / BEI Sensors1SUNSET ELECTRONICS INC.1

Центральный офис / склад

Николая Ершова, 28

ул. Терешковой, 22А

Максима Горького, 65А

переулок 1905 года, 9

Датчики угла (энкодеры) – устройства, с помощью которых определяют угол поворота вращающихся объектов (валов) путём преобразования в соответствующий электрический сигнал.

Энкодеры широко используются в сфере промышленности (в сервоприводах), в машиностроении, автомобилестроении (определение поворота рулевых колёс), сфере ИТ (определения угла поворота колёсика мыши) и т. д.

Исходя из принципа действия, датчики угла бывают оптическими, резистивными, магнитными, индуктивными и механическими.

Исходя из способа выдачи информации, бывают инкрементные и позиционные энкодеры.

Посмотреть и купить товар вы можете в наших магазинах в городах: Москва, Санкт-Петербург, Архангельск, Астрахань, Барнаул, Белгород, Брянск, Владимир, Волгоград, Вологда, Воронеж, Екатеринбург, Иваново, Ижевск, Иркутск, Казань, Калуга, Кемерово, Киров, Кострома, Краснодар, Красноярск, Курган, Курск, Липецк, Набережные Челны, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Орёл, Пенза, Пермь, Псков, Ростов-на-Дону, Рязань, Самара, Саранск, Саратов, Смоленск, Ставрополь, Тверь, Томск, Тула, Тюмень, Ульяновск, Уфа, Чебоксары, Челябинск, Ярославль.
Доставка в пункты выдачи заказов Pickpoint, СДЭК, Л-Пост, Boxberry, 5Post, транспортными компаниями DPD и «Деловые Линии», а также Почтой России в Тольятти, Хабаровск, Владивосток, Махачкала, Новокузнецк, Чебоксары, Калининград, Улан-Удэ, Сочи, Сургут, Нижний Тагил, Чита, Владикавказ, Грозный, Мурманск, Тамбов, Петрозаводск, Нижневартовск, Новороссийск, Йошкар-Ола и еще в более чем 1000 городов и населенных пунктов по всей России.

Товары из группы «Датчики угла (энкодеры)» вы можете купить оптом и в розницу.

Датчик угла поворота – устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта в цифровые или аналоговые сигналы, позволяющие определить угол поворота. Датчики угла поворота широко применяются в промышленности, в компьютерной технике, автомобилестроении, робототехнике. Одними из самых распространенных являются датчики угла поворота на эффекте Холла (магнитные датчики). Принцип их работы достаточно прост – на вале, передающем вращение от объекта, крепится магнит. Чувствительный элемент, находящийся в корпусе, преобразует изменения магнитного поля в цифровой код или аналоговый сигнал.

Пожалуй, важнейшим элементом таких датчиков является механическая часть, включающая в себя вал и механизм фиксации магнита. И она же является «слабым» местом. С течением времени поворотный механизм стирается. Из-за ударного или вибрационного воздействия магнит может слегка изменить свое положение, что может неблагоприятно сказаться на точности измерений.

Магнитный бесконтактный датчик угла поворота PS2P-CONN лишен этих недостатков по одной-единственной причине – у него вообще нет вала. Датчик представляет собой устройство, состоящее из двух, механически никак не связанных между собой, модулей – электронный модуль обработки сигнала и сам магнит, помещенный в пластиковый корпус. Благодаря отсутствию механических вращающихся элементов и наличию специального модуля обработки сигнала, датчик сохраняет стабильность работы в условиях вибрации, грязи, значительных колебаниях температуры.

Подобную конструкцию можно установить практически везде, предоставляя разработчику или монтажнику широчайшие возможности для адаптации датчика в уже готовую конструкцию. Немаловажное значение имеет тот факт, что конструкция датчика позволяет устанавливать магнит со значительными отклонениями по вертикали и боковым смещением, т.к. угловая информация вычисляется по двум векторам распространения магнитного потока. На основании этих данных формируется выходной сигнал, пропорциональный вычисленному углу. На магните и корпусе датчика имеются метки («ключи»), позволяющие определить нулевое значение угла поворота.

Основные технические параметры:

• Рабочее напряжение: 5В;
• Тип выходного сигнала: аналоговый;
• Угловой диапазон датчика: 360°;
• Механическая износоустойчивость: не ограничена.

Датчик угла поворота

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 2 октября 2021 года; проверки требует 1 правка.

Датчик угла поворота (сокр. ДУП), также энкодер (от англ.  — кодирующее устройство) — измерительный преобразователь угла поворота вращающегося объекта (например, вала) в цифровые или аналоговые сигналы, которые позволяют определить угол его поворота.

Абсолютный многооборотный (4096 оборотов) ДУП (8192 положения на оборот)

Датчики угла поворота имеют множество применений:

• в промышленности (в частности в сервоприводах);
• в робототехнике;
• в автомобилестроении (например, для определения угла поворота рулевого колеса);
• в компьютерной технике (для определения угла поворота колеса компьютерной мыши) и т. п.

ВидыПравить

• по способу выдачи информации на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные);
• по принципу действия — на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические;
• по допустимому углу поворота вала — на ДУП с ограниченным диапазоном работы и ДУП с неограниченным диапазоном работы.

Накапливающие и абсолютные датчики угла поворотаПравить

Выходы «синус» и «косинус» накапливающего датчика угла поворота

Накапливающие ДУП, на выходе формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение вала путём подсчёта числа импульсов счётчиком. Сразу же после включения накапливающего ДУПа положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчёта к началу отсчёта накапливающие датчики имеют нулевые (референтные) метки, через которые нужно пройти после включения оборудования.
К недостаткам такого типа датчиков угла положения также относится то, что невозможно определить пропуск импульсов от ДУПа по каким-либо причинам. Это приводит к накоплению ошибки определения угла поворота вала до тех пор, пока не будет пройдена нуль-метка. Для определения направления вращения применяются два измерительных канала («синусный» и «косинусный»), в которых идентичные последовательности импульсов (меандр) сдвинуты на 90° относительно друг друга.

Абсолютные ДУП выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота вала датчика угла. Датчики угла этого типа не требуют привязки системы отсчёта к какому-либо нулевому положению.

Оптические датчики угла поворотаПравить

Оптические ДУП имеют жёстко закреплённый на валу стеклянный диск с оптическим растром. При вращении вала растр перемещается относительно неподвижного растра, при этом модулируется световой поток, принимаемый фотодатчиком. Абсолютные оптические датчики угла — это датчики угла поворота, в которых каждому положению вала соответствует цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические ДУП, так же как и накапливающие, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные датчики угла поворотаПравить

Магнитные ДУП регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код или сигнал.

Механические и оптические ДУП с последовательным выходомПравить

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической.
Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Основным недостатком механического ДУПа является дребезг контактов, который может приводить к неправильному подсчёту и определению направления вращения. Оптические и магнитные ДУП лишены данного эффекта.

• Крауиньш Дмитрий Петрович. Автоматизированный привод. Лекция 6. «Датчики автоматизированных электроприводов» // Томский политехнический университет. Кафедра «Автоматизация и роботизация в машиностроении»
• Жуков Р. В. Методы оценки положения тела в пространстве. ФГБУ ВПО “МГТУ им. Баумана”

2 сентября 2019

Датчик G-MRCO-016 содержит два параллельных моста Уитстона, которые вместе позволяют измерять угол поворота магнита в пределах 180°. Вращающееся магнитное поле на поверхности, параллельной чипу, приведет к появлению двух независимых синусоидальных выходных сигналов, сдвинутых по фазе на 45°. Датчик G-MRCO-016 предназначен для высокоточного измерения угла при постоянной напряженности поля H0 ≥ 25 кА/м. Поле генерируется, например, с помощью круглого неодимового магнита диаметром 14 мм и высотой 3 мм на расстоянии 5 мм при комнатной температуре. Микросхема G-MRCO-016 работает при рекомендованном напряжении 5 В (макс. 10 В) и имеет сопротивление моста 3000 Ом.

Принцип работы G-MRCO-016

Датчик G-MRCO-021 содержит три параллельных моста Уитстона. Уникальная особенность G-MRCO-021 заключается в том, что он способен измерять полный угол 360°, используя дополнительное магнитное поле, создаваемое планарной катушкой, встроенной в чип. Для создания законченного цифрового измерительного устройства на практике достаточно напрямую подключить выходы мостов к АЦП любого недорогого микроконтроллера.

Подключение G-MRCO-021 к микроконтроллеру

Микросхемы магнитного датчика угла поворота выпускаются в миниатюрном корпусе Tiny TDFN размером 2,5×2,5×0,8 мм.

Области применения  G-MRCO-016 и G-MRCO-021:

• Измерение абсолютного угла
• Замена потенциометров
• Контроль вращения мотора
• Позиционирование видеокамеры
• Робототехника

Больше информации по датчикам можно найти в статье «Высокоточные интегральные датчики TE Connectivity».

О компании TE Connectivity

19 сентября 2016

Новые 3D-датчики магнитного поля TLV493D-A1B6 производства компании Infineon позволяют делать весьма точные измерения по трем осям координат с предельно низким энергопотреблением. При этом датчики выполнены в миниатюрном корпусе с шестью выводами.

Поскольку 3D-датчик реагирует на составляющие магнитного поля по осям X, Y и Z, то с его помощью можно получить надежные измерения при трехмерных, линейных и вращательных движениях. Сфера применения TLV493D-A1B6 – джойстики, органы управления в бытовой технике, счетчики электрической энергии (с защитой от хищений) и любые другие применения, которые требуют точных угловых измерений и низкого энергопотребления.

В то время как линейные, ключевые и угловые датчики Холла фиксируют только одну составляющую магнитного поля, направленную перпендикулярно поверхности чипа (угловые датчики GMR фиксируют только параллельно ориентированные составляющие магнитного поля), датчик TLV493D-A1B6 дает возможность одновременного измерения магнитного поля по трем осям X, Y и Z (рисунок 1). Имея данные о составляющих магнитного поля по трем осям, пользователь получает целостную трехмерную картину магнитного поля. Любое движение магнита вызовет изменение по крайней мере одной составляющей поля, которое и зафиксирует 3D-датчик.

Рис. 1. 3D-датчик TLV493D-A1B6

Трехмерные измерения обеспечиваются за счет размещения датчиков Холла в обеих, вертикальной и горизонтальной плоскостях на кристалле датчика. Вертикальные датчики Холла фиксируют параллельно ориентированные составляющие поля в направлениях осей X и Y, горизонтальный – перпендикулярно ориентированную составляющую (ось Z).

Одной из задач при разработке TLV493D-A1B6 было снижение энергопотребления. Используя при проектировании датчика инновационные технологии, например, тактовый генератор малой мощности, удалось уменьшить потребляемый ток до рекордно низких значений в диапазоне нескольких наноампер. Концентрируясь на ключевых требованиях точных трехмерных измерений и низкого энергопотребления, разработчики датчика получили результат в виде маленького кусочка кремния, который поместился в миниатюрном корпусе. Использованный корпус TSOP-6 размером всего 2,9×1,6 мм меньше любого современного магнитного 3D-датчика.

Из-за своего миниатюрного корпуса и сверхнизкого энергопотребления TLV493D-A1B6 может быть применен в устройствах, в которых ранее не использовались магнитные датчики, при этом заменяя потенциометры и оптические устройства. Проектируемые системы становятся малогабаритными, более точными и надежными, с бесконтактной фиксацией положения и высокой температурной стабильностью измерений магнитных параметров.

Цифровой выход датчика представлен стандартным двухпроводным интерфейсом I2C, который обеспечивает высокую скорость передачи данных, выбор режима работы шины и двунаправленность передачи (датчик-микроконтроллер).

TLV493D-A1B6 соответствует директивам RoHs и требованиям JESD47, что позволяет спроектированной системе отвечать высочайшим стандартам качества и различным экологическим нормам.

Архитектура и ключевые особенности

Архитектура датчика состоит из трех основных функциональных блоков (рисунок 2): питания и режимов работы, измерительного и коммуникационного.

Рис. 2. Функциональная схема TLV493D-A1B6: питание, измерительная часть и интерфейс I2C

Блок питания и режимов работы отвечает за распределение питания по узлам микросхемы. Он также обеспечивает корректную последовательность запуска системы.

Измерительный блок содержит вертикальные и горизонтальный датчики Холла, а также датчик температуры. Каждый из датчиков Холла (по осям X, Y и Z) подключен к мультиплексору, который, в свою очередь, соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Температурный датчик также подключен к мультиплексору и может быть при необходимости отключен. При выключении датчика температуры общее энергопотребление снижается примерно на 25%.

Коммуникационный блок содержит интерфейс I2C и файловые регистры, которые доступны для чтения микроконтроллером в любом режиме работы. В отдельных регистрах содержатся значения трех составляющих магнитного поля и температуры. Встроенный интерфейс I2C соответствует спецификации скоростного режима (400 кбит/с), но при определенных условиях скорость передачи данных может доходить до 1 Мбит/с и более. В соответствии со спецификацией протокола I2C датчик может работать на шине с другими устройствами. Применение коммуникационных шин уменьшает число проводников и позволяет реализовать механизм управления с помощью микроконтроллера (мастера). Стандартный адрес TLV493D-A1B6 на шине I2C определен изготовителем. При подаче питания во время запуска системы адрес может быть изменен с помощью адресного вывода микросхемы. Новый адрес актуален во время текущего сеанса работы и возвращается к заводскому при снятии питания.

TLV493D-A1B6 обеспечивает 12-битное преобразование измеренных значений магнитной индукции по каждой оси. Это позволяет получить высокое разрешение в 0,098 мТ/бит (вес младшего значащего бита). Таким образом, возможна фиксация самых незначительных перемещений магнита.

Используя вертикальные датчики Холла для обоих параллельных составляющих магнитного поля (X и Y), датчик обеспечивает погрешность измерений магнитной индукции в пределах ±2%. Благодаря этому возможно производить точные измерения угловых перемещений. Нацеленный на рынок промышленных и потребительских приложений, TLV493D-A1B6 может работать в диапазоне питающих напряжений от 2,3 до 3,5 В и при температурах от -40 до 125°C. Датчик TLV493D-A1B6 полностью соответствует промышленным нормам JESD47.

Гибкие режимы питания, обеспечивающие сверхнизкое энергопотребление

Датчик выдает сигнал прерывания для управляющего микроконтроллера после каждого цикла измерения. По факту фиксации прерывания микроконтроллер может считать содержимое регистров измерений магнитного поля и температуры. Сигнал прерывания может быть использован для вывода микроконтроллера из режима сна. В таком случае, поскольку система находится в режиме сна и активна только во время измерения, общее энергопотребление может быть весьма существенно снижено.

TLV493D-A1B6 поддерживает пять режимов работы: “Power down mode”, “Fast mode”, “Low Power mode”, “Ultra Low Power mode” и “Master Controlled mode” (таблица 1). Рабочие режимы могут быть выбраны посредством интерфейса I2C.

Таблица 1. Номенклатура MOSFET с допустимым напряжением 40 В OptiMOS и StrongIRFET

При подаче питания датчик запускается с заводскими настройками. На короткий промежуток времени все функциональные блоки активны, но после этого датчик переходит в режим “Power down mode”, и все функциональные блоки отключаются. В это время не происходит измерений магнитного поля, и потребляемый ток снижается до 7 нА. При питании от двух стандартных батарей типоразмера AA (2400 мАч каждая) датчик теоретически может работать в этом режиме 39 тысяч лет.

В режиме “Fast Mode” чтение данных оптимизировано по скорости. Значения измеренных величин после последнего преобразования могут считываться в то время, когда происходит очередное преобразование. Этот режим идеален для устройств, где требуется фиксация быстрых перемещений магнита, например, для джойстиков. Ток потребления датчика в этом режиме может составлять 3,7 мА в пике, при этом скорость опроса составляет до 10 тысяч измерений в секунду.

В режиме “Low Power mode”, датчик выходит из режима сна каждые 10 мс для того, чтобы произвести измерения индукции магнитного поля. Потребляемый ток в таком режиме составляет около 100 мкА. Этот режим идеален для элементов управления (например, многофункциональных вращающихся ручек), требующих периодических измерений при низком энергопотреблении.

В режиме “Ultra Low Power mode” можно снизить энергопотребление в 10 раз. Период пробуждения увеличен до 100 мс, потребляемый ток составляет 10 мкА. Это особенно хорошо подходит для устройств с батарейным питанием, например, для защиты от хищений в счетчиках электроэнергии.

В режиме “Master Controlled mode” датчик опрашивается микроконтроллером исключительно в моменты, когда этого требует пользовательское приложение. После каждого измерения датчик ждет чтения регистров микроконтроллером (мастером). Опираясь на требования приложения, чтение данных может осуществляться незамедлительно или с задержкой по времени. После того как микроконтроллер считает данные, может быть запущен новый цикл измерения. Этот режим особенно полезен, когда несколько датчиков TLV493D-A1B6 присоединены к одной шине I2C, например, для измерения больших линейных перемещений. Таким образом, микроконтроллер (мастер) определяет, какой из датчиков наиболее важен в данный момент, и запускает цикл измерения в этом датчике.

На рисунке 3 показано энергопотребление для каждого из пяти режимов в зависимости от температуры.

Рис. 3. Ток потребления в зависимости от температуры

Защита от хищений в счетчиках электроэнергии

Традиционно счетчики электроэнергии не имеют возможности определения фактов хищения, поскольку основной их задачей является измерение количества потребленной электроэнергии на основе измеренных значений сетевого напряжения и протекающих токов. В таких случаях обмануть счетчик совсем нетрудно и обнаружить такой обман весьма сложно. Однако современные счетчики имеют возможность определения фальсификаций и принятия соответствующих мер.

Магнитное воздействие – вероятно, наиболее распространенный и легкий путь для вмешательства в работу счетчика. Электромагнитные трансформаторы тока – практически единственный способ измерения тока в счетчиках электроэнергии. Если рядом с трансформатором тока поместить мощный постоянный магнит, то его магнитное поле введет сердечник трансформатор тока в насыщение и приведет к тому, что измеренный ток становится равным нулю, как и измеренная потребленная энергия.

Традиционный подход реализации магнитных измерений для защиты счетчиков заключается в расположении двух датчиков Холла (один монтируется на основной печатной плате счетчика, второй – на дополнительной плате перпендикулярно первому, рисунок 4). Этот подход имеет ряд недостатков, таких как усложнение конструкции счетчика, дополнительные калибровки и настройка. В дополнение ко всему, это удорожает счетчик и приводит к повышенному энергопотреблению.

Рис. 4. TLV493D-A1B6 идеально подходит для применения в «умных» счетчиках электроэнергии

С новыми 3D-датчиками не требуется дополнительной платы, при этом снижается сложность системы и, соответственно, повышается надежность. В дополнение TLV493D-A1B6 удовлетворяет и другим требованиям, таким как, например, широкий диапазон величин магнитных полей, высокое разрешение, измерение температур, сверхнизкое энергопотребление, цифровой выход, отсутствие дополнительных компонентов, миниатюрный корпус и низкая стоимость.

Джойстики и элементы управления

Точность при 12-битном разрешении и быстрый коммуникационный интерфейс делают TLV493D-A1B6 лидером в области приложений с джойстиком. Бесконтактные магнитные измерения, высокая температурная стабильность и отсутствие эффектов старения позволяют вести разработку джойстиков нового поколения для промышленного применения (т.н. человеко-машинного интерфейса).

Более того, новые 3D-датчики позволяют снизить стоимость и повысить эффективность энергопотребления при применении в органах управления бытовых приборов и устройствах другого домашнего применения, например, дружественных пользователю поворотно-нажимных кнопках. Точные угловые измерения и невысокая сложность архитектуры позволяют проектировать новые пользовательские интерфейсы с тактильным откликом.

Оценочная плата и бесплатная среда программирования

Для ускорения проектирования и снижения затрат времени на разработку разработчики могут заказать недорогую оценочную плату (www.ehitex.com). Оценочная плата “3D Magnetic Sensor 2Go” использует датчик TLV493DA1B6 и 32-битный микроконтроллер семейства XMC1100 Infineon. Первое измерение с помощью платы может быть сделано в считанные минуты, при этом следует использовать присоединенный магнит и демонстрационное программное обеспечение датчика. Использование в качестве микроконтроллера XMC1100 также дает возможность использования бесплатной версии среды разработки DAVE™ для проектирования системы.

Заключение

Датчик TLV493D-A1B6 обеспечивает точные и энергоэффективные трехмерные измерения для различных приложений. Гибкая настройка режимов работы позволяет спроектировать специализированные и масштабируемые системы с широким диапазоном измеряемых величин и высокой точностью измерений при наименьших токах потребления.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Магнитный датчик угла поворота

Система
измерения угла состоит из микросхемы
и небольшого магнита, размещенного на
небольшом расстоянии над микросхемой.

Рисунок
6 Магнитный датчик угла поворота

Датчики
Холла размещенные на кристалле микросхемы
фиксируют напряженность магнитного
поля магнита, а встроенный в микросхему
DSP рассчитывает абсолютное значение
угла поворота магнита (Рис.6). Функциональные
возможности встроенные в микросхему
позволяют запрограммировать “нулевое”
положение магнита, относительно которого
будет рассчитан угол, произвести
диагностику и откалибровать положение
магнита над микросхемой для лучшей
точности.

Абсолютные датчики углового положения, энкодеры

Среди
обширного класса измерительных
преобразователей угловых перемещений
абсолютные датчики углового положения
занимают особое место. Эти датчики
позволяют решать задачи прецизионных
измерений не только величин угловых
перемещений, но и без потери точности
могут обеспечить «жесткую» координатную
привязку различного рода позиционируемых
объектов при их статическом положении.
Часто абсолютные датчики углового
положения называют абсолютными
энкодерами, преобразователями считывания
углового положения или преобразователями
угол-код.

Абсолютные
датчики углового положения каждому
значению углового положения вала
(преобразуемого угла) ставят в соответствие
значение числового эквивалента, который
формируется на выходе датчика, как
правило, в виде сигнала цифрового кода.
При этом указанное взаимно однозначное
соответствие сохраняется, как при
движении вала, так и при его неподвижном
положении и не требует возвращения вала
в начальную позицию. Таким образом,
значение кода не теряется после выключения
и включения питания датчика,
восстанавливается после прохождения
помехи или превышения допустимой
скорости вращения вала, ограничиваемой
правильным считыванием кода. Приведённые
свойства выгодно отличают абсолютные
датчики углового положения от инкрементных
угловых преобразователей.

Эталоном
угловой меры в абсолютных датчиках
служит установленный на входном валу
измерительный лимб с кодовой шкалой,
имеющей однодорожечную или многодорожечную
кольцевую структуру. Упрощенное
изображение измерительного лимба с
9-ти дорожечной кодовой шкалой изображено
на рис. 7.

Рисунок 7 Кодовая шкала

В
основе принципа действия таких датчиков
лежит анализ позиционного сочетания
уровней сигналов дискретных фотоприемников,
располагаемых в формируемой светотеневой
картине соответствующих концентрических
кольцевых кодовых дорожек или на одной
дорожке (в случае однодорожечного кода).

Совокупность
указанных фотоприемников образует
считывающее фотоприёмное устройство
(матрицу считывающих фотопремников),
конкретное выполнение которого
определяется структурой используемого
кода и конструкцией датчика.

В
абсолютных датчиках углового положения
увеличение количества кодовых разрядов
соответствует увеличению их угловой
разрешающей способности.

Как
правило, для многодорожечных шкал
датчиков положения используют позиционные
коды. Их особенность заключается в том,
что в отличие от обычных кодов, они
обладают свойством непрерывности
бинарной комбинации (так называемая
«одношаговость кода»): изменение
кодируемого числа на единицу соответствует
изменению кодовой комбинации только в
одном разряде (рис.8).

Рисунок 8 Шкала перевода

Это
свойство позволяет свести погрешность
считывания кода к значению младшего
разряда, обеспечив, тем
самым, высокую информационную
надёжность преобразования угол-код.
Наибольшее распространение среди кодов
этого класса получил код Грея. Этот код
обладает способностью зеркального
отображения информации, то есть
инвертированием старшего бита можно
менять направление счета и, таким
образом, задавать направление
вращения вала датчика. Для осуществления
дальнейшей обработки Грей-кода на основе
законов двоичной математики его
преобразуют в двоичный код. Реализацию
такого кодового преобразования легко
осуществить с помощью логических
элементов «исключающее или» аппаратным
или программным способами.

По
диапазону измерений абсолютные датчики
углового положения делятся на однооборотные
и многооборотные. В датчиках первого
типа кодирование углового положения
вала осуществляется в пределах изменения
угла поворота от 0°до 360°. В многооборотных
датчиках рабочий диапазон превышает
360°. Они строятся на основе абсолютных
однооборотных датчиков, последовательно
соединённых между собой через двоичные
понижающие редукторы. Как правило,
используется один датчик точного отсчёта
и один или несколько датчиков грубого
отсчёта. Точный отсчёт используется
для преобразования в цифровой код в
пределах одного оборота вала, а грубые
– для счёта числа оборотов.

Для
уменьшения погрешностей, вносимых
редукторами и датчиками грубого отсчёта,
применяются электронные методы
согласования грубых и точных отсчётов.

Устройство
абсолютного датчика углового положения

Рисунок 9 Принцип работы

Формируемый
осветителем 1,2 пучок лучей создаёт в
плоскости анализирующей маски 4 теневое
изображение кодовой шкалы 3. Анализирующая
маска, представляет собой совокупность
щелевых диафрагм, выделяющих необходимые
для анализа участки изображения кодовой
шкалы. За каждой диафрагмой по ходу
лучей установлен дискретный фотоприемник,
располагаемый в зоне теневого изображения
соответствующей кольцевой дорожки
кодовой шкалы, В распространённом случае
считывающее фотоприемное устройство
представляет собой анализирующую маску
в виде одной узкой щелевой диафрагмы с
установленной за ней линейкой фотодиодов
5.

Конструктивно
абсолютный датчик включает в себя
оптико-механический узел, оптико-электронное
считывающее устройство, а также
электронную схему выделения и обработки
сигналов фотоприёмников.

Оптико-механический
узел датчика представляет собой корпусную
деталь с прецизионными направляющими,
обеспечивающими вращательное движение
вала и жестко связанного с ним
измерительного лимба, центрированного
по отношению к оси вращения вала.

Оптико-электронное
считывающее устройство содержит узел
осветителя и считывающее фотоприемное
устройство (матрицу фотоприемников с
установленной перед ней анализирующей
маской), а также электронную схему
выделения и обработки сигналов
фотоприемников.

В
общем случае, считывающее фотоприемное
устройство содержит матрицу пространственно
распределённых фото приемников с
установленной перед ними анализирующей
маской.

Для
получения значений кода на один оборот
вала, кратных одному угловому градусу,
используют укороченный код Грея,
начальное значение которого не
соответствует нулевой позиции обычного
кода Грея, а имеет значение некоторого
смещения, позволяющего при замыкании
кодовой последовательности сохранить
основные его свойства.

В
зависимости от уровня сигналов, снимаемых
с фотоприемников, им присваиваются
значения 0 или 1, то есть получаемые
кодовые комбинации являются бинарными
кодами.

Функциональная схема

Ядром системы обработки данных устройства
является высокоскоростной микроконтроллер
DS87C520.

Контроллер имеет аппаратные и программные
средства поддержки канала связи с
системой сбора информации более высокого
уровня. Связь осуществляется по
двухпроводной линии интерфейса RS485
«общая шина» с использованием логического
уровня протоколаHDLC(его
подмножестваSDLC).

Питание контроллера осуществляется по
кабельной линии из системы сбора
информации постоянным напряжением 9 –
12 вольт. Для повышения помехозащищенности
питание контроллера и электронных схем
первичных преобразователей имеет полную
гальваническую развязку по сигнальным
цепям и питанию, реализованную с
использованием специализированных
оптронов и преобразователей напряжения.

Оптический датчик углового перемещения лебедки

Оптический датчик углового положения
вала буровой лебедки ОДИ 441-02 преобразует
угол вращения вала датчика в две
последовательности электрических
импульсов, формируемые с фазовым сдвигом
90° относительно друг друга. Одна из этих
последовательностей используется для
вычисления угла поворота вала, другая
– для определения направления вращения.
Электронная часть датчика состоит из
двух оптопар, смонтированных на печатной
плате под определенным углом. Питание
на оптопары (+5 в) поступает из блока
контроллера по соединительному кабелю.

Конструктивно
датчик размещен в металлическом корпусе
цилиндрической формы, снабженным
кронштейном для монтажа. На валу датчика
установлен шкив с зубчатым венцом,
имеющим 25 зубов. С помощью ременной
передачи он связан со шкивом, смонтированным
на валу буровой лебедки. Датчик монтируется
в непосредственной близости от вала
буровой лебедки на стойке, входящей в
комплект поставки прибора.

Магнитный датчик углового перемещения лебедки Назначение

Датчик предназначен для работы в составе
глубиномера. Он устанавливается на
буровой лебёдке и при повороте барабана
вырабатывает сигналы, позволяющие
глубиномеру определить угол поворота
и направление вращения.

Устройство

а
валу, поворот которого нужно измерять,
укрепляются несколько магнитов по
окружности. При вращении магниты проходят
мимо магниточувствительной головки,
которая вырабатывает счётные импульсы.
В магниточувствительной головке
находятся три магниточувствительных
датчика. Поэтому при одном обороте вала
головка вырабатывает втрое больше
счётных импульсов, чем количество
закреплённых магнитов и определяет
направление вращения.

Принцип действия датчика основан на
изменении индуктивности катушки с
ферромагнитным сердечником при
приближении к ней магнита.

Работу
датчика поясняет рисунок 1. Если замкнуть
ключ К, то напряжение Ua будет изменяться
по одной из кривых, показанных на рисунке
1б. Причём, чем меньше индуктивность
(чем ближе поднесён магнит), тем ниже
кривая.

Принципиальная
электрическая схема магниточувствительной
головки показана на рисунке 2. Головка
имеет три датчика А, В и С, реагирующих
на приближение магнита. Четыре одинаковые
чувствительные катушки: LA, LB, LC (рабочие)
и LK (комп

роцессор
циклически посылает измерительный
импульс и опрашивает состояние всех
трёх компараторов. Результат проверки
выставляется на выводах «А», «В», «С»
(p3.2, p3.3, p3.4): 1– если магнита нет, 0 ­–
если магнит поднесён. К контактам Х4,
Х5, Х6 могут быть подключены светодиоды.
Выходными сигналами магниточувствительной
головки являются сигналы «direct» и «step».
Сигнал «step» изменяет своё состояние из
1 в 0 или наоборот при срабатывании
очередного датчика (А, Б или С). Сигнал
«direct» изменяется вместе с сигналом
«step» (даже чуть раньше), но совпадает по
фазе с сигналом «step» (рис.4а) при движении
магнитов в одну сторону (если датчики
срабатывают в порядке ..АВСАВ..), и
противоположен ему по фазе (рис.4б) при
движении магнитов в противоположную
сторону (датчики срабатывают в порядке
..АСВАСВ..). Они аналогичны по назначению
сигналам от двух оптронов, как у
глубиномера с оптическим датчиком.

Датчики линейного
и углового перемещения (положения)
получили широкое распространение во
всех отраслях промышленности. С помощью
датчиков перемещений определяются и
регулируются положения исполнительных
органов различных машин и агрегатов,
транспортных и вентиляторных установок,
фиксируются положения машин в пространстве
т.д. Датчики угловых перемещений
(скорости) используются в регулируемых
электроприводах машин и механизмов, в
системах регулирования частоты вращения
исполнительных элементов автоматики.

В
последние годы активно внедряются в
производство прецизионные интеллектуальные
датчики измерения перемещения (положения)
— шифраторы приращений (абсолютные
шифраторы).