Оптический датчик положения

Что такое датчик положения (перемещения)?

Датчик перемещения – это устройство, которое определяет величину линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта.

Виды датчиков и их особенности.

Все датчики перемещения можно разделить на:

1. Ёмкостные. Принцип работы данного датчика заключается во взаимосвязи ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. Ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами. Поэтому определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости фиксируется различными способами. Например, измеряется его импеданс. Приведено фото такого датчика с изменяющейся величиной зазора.

– простота изготовления;

– использование недорогих материалов для производства;

– малые габариты и вес;

– низкое потребление энергии;

– высокая чувствительность;

– отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъём);

– долгий срок эксплуатации;

– малые усилия для перемещения подвижной части ёмкостного датчика;

– небольшой коэффициент передачи (преобразования);

– высокие требования к экранировке деталей;

– необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.

2. Оптические. В подобных датчиках самым популярным оптическим эффектом является оптическая триангуляция. При нём датчик положения является дальномером. Дальномер определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения. Это даёт возможность определить длину d — расстояние до объекта.

– возможность проведения бесконтактных измерений;

– высокая точность и быстродействие;

– чувствительность к поляризации. Это негативно сказывается на стоимости подобных устройств.

Датчики подразделяются на:

3. Индуктивные. В датчике данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника. Это меняет потокосцепление между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника и о положении внешнего объекта.

– простота и прочность конструкции;

– отсутствие скользящих контактов;

– возможность подключения к источникам промышленной частоты;

– относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);

– значительная чувствительность.

– точность работы зависит от стабильности питающего напряжения;

– возможна работа только на переменном токе.

1 – сердечник;

2 – медная обмотка;

3 – якорь.

Принцип действия датчика – при изменении воздушного зазора δ изменяются индуктивность дросселя и полное сопротивление рабочей цепи. Следовательно, изменяется падение напряжения на нагрузке Uвых и ток цепи.

– Дифференциальная схема включения индуктивных датчиков предполагает наличие трансформатора со средней точкой. Обе обмотки имеют одинаковое число витков, сердечники идентичны по характеристикам. Сопротивление нагрузки включается между средней точкой обмотки трансформатора и средней точкой обмоток измерительного преобразователя. Ток, протекающий через нагрузку, равен разности токов правой и левой половин схемы.

– Мостовая схема включения рассматривает разность падения напряжения на плечах моста, которая определяет выходное напряжение.

4. Вихретоковые. 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. Оно пронизывает материал объекта и порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые и создают вторичное магнитное поле. Параметры вторичного поля определяются регистратором. На их основании вычисляется расстояние до объекта: чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём. Это 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.

Достоинства:
высокая точность.

Недостатки:
может применяться только для металлических тел.

5. Ультразвуковые. В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны. Структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, 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 являются наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультразвуковых дефектоскопах.

– имеют широкий температурный диапазон эксплуатации;

– не чувствительны к цвету поверхности измеряемого объекта.

6. Магниторезистивные. В подобных датчиках используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик состоит из постоянного магнита и электрической схемы. Схема содержит включенные по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения. Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию. Вследствие этого изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

Подобную конструкцию имеют и датчики на основе эффекта Холла, но у них другой принцип работы. Прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

– отсутствие механических движущихся частей и высокое быстродействие (до 100 кГц);

– высокая надежность и долговечность;

– не требуется физического контакта с измеряемой средой.

Недостатки:
применение дорогих и чувствительных к температуре полупроводников.

7. Магнитострикционный представляет собой протяжённый канал – волновод, вдоль которого свободно перемещается постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник. Проводник при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины. Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения определяет расстояние до постоянного магнита. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита определяется с точностью до нескольких микрометров.

– устойчивость к неблагоприятным условиям;

– низкая чувствительность к температурным изменениям.

8. Потенциометрические. Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта изменяет сопротивление потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать постоянный ток, то падение напряжения на нём будет пропорционально величине сопротивления и линейного перемещения интересующего объекта.

Достоинства:
простота и низкая стоимость. Однако для универсальных, прецизионных и бесконтактных измерений в последнее время всё чаще используются датчики на основе оптических эффектов.

9. Трансформаторные. Принцип действия основан на использовании изменения индуктивной связи (трансформаторной связи) между двумя системами обмоток при перемещении якоря. Одна из обмоток (первичная) питается переменным током, с другой (вторичной) – снимается выходной сигнал. Обмотки взаимозаменяемы. На фото вверху представлен датчик для измерения линейных перемещений, ниже для угловых.

Трансформаторные датчики подразделяются на датчики ферродинамического типа и микросины. Они предназначены для бесконтактного измерения угловых перемещений и их преобразования в пропорциональные значения электрического сигнала переменного тока.

1 – ярмо;

2 – сердечник;

3 – обмотка, размещённая на подвижной рамке;

4 – обмотка возбуждения.

1 – статор;

2 – ротор;

3 – немагнитная часть ротора;

4 – магнитная часть ротора.

10. Реостатный датчик. Основные конструктивные элементы датчика:

– плоский, цилиндрический или кольцевой каркас из изоляционного материала (текстолита, гетинакса, керамики или металла, покрытого слоем изоляции);

– обмотка из высокоомного материала, стойкого к истиранию (манганин, константан, сплав серебра с палладием, платины с иридием, вольфрам), диаметром от 0,03 до 0,01 мм для датчиков высокого класса точности; для датчиков низкого класса точности – диаметром до 0,4 мм);

– подвижный токосъёмный контакт.

На фото левее представлен реостатный датчик для измерения линейных перемещений, правее – для измерения угловых перемещений.

11. Щелевые датчики представляют собой разновидность однолучевых барьеров, в которой излучатель и приемник размещены в вилочной конструкции друг напротив друга на небольшом расстоянии. Поскольку излучатель с приемником жестко закреплены, то отсутствует необходимость в регулировке и юстировке.

12. Аналоговые датчики – это первичные преобразователи. Такой тип датчиков применяется в системах непрерывного измерения и регулирования. Принцип действия таких датчиков состоит в том, что при изменении параметра происходит соответствующее изменение его выходного сигнала.

13. Герконовый датчик – это датчик, использующийся для слежения за перемещениями поршня в пневмоцилиндре, открытием и закрытием створок, охраны, сигнализации. Устройство используется как датчик положения и концевой выключатель. Он состоит из модуля, поплавка, чувствительного элемента, магнита и зонда.

Подробнее о других датчиках читайте в статье “Промышленная Автоматизация”.

Купить датчик положения можно в интернет-магазине “Промышленная Автоматизация”.

Что такое оптический датчик?

Оптический датчик – это электронный прибор компактного размера, оценивающий параметры объекта, попадающих в зону действия, за счет обработки светового излучения разного диапазона. Они классифицируются на несколько типов в зависимости от конструктивных и других особенностей, но принцип действия у этого оборудования одинаковый в каждом случае.

Порядок активации оптического датчика определяется производителем, т.е. последний задает конкретные условия, при наступлении которых прибор включается. Активация датчика происходит в момент, когда световое излучение, попадающее на устройство, приобретает достаточную интенсивность.

Принцип действия данного прибора основан на способности встроенной электроники распознавать изменения характера свечения. Датчик активируется в момент, когда световой поток беспрепятственно попадает на устройство. Но в случае его прерывания прибор перестает работать. В этот момент на компьютер поступает соответствующий закодированный сигнал, и оператор получает информацию о наличии объекта в зоне действия датчика.

Конструкция устройства

Оптические датчики состоят из приемника и источника светового излучения. Оба компонента лежат в основе каждого прибора.

При этом источник излучения (излучатель) состоит из:

В состав приемника входят:

Индикатор цвета показывает следующие режимы работы датчика:

Если не рассматривать специализированные типы оптических датчиков (щелевые и другие), то эти приборы в зависимости от конструкции можно условно разделить на 2 вида: с цилиндрическим и прямоугольным корпусом. Такая особенность существенно упрощает выбор устройств.

Виды оптических датчиков

Оптические датчики применяются для решения широкого круга задач. В связи с этим перед покупкой прибора необходимо определиться с:

В зависимости от особенностей работы оптические датчики подразделяются на 3 типа.

Барьерные

Датчики барьерного типа отличаются нестандартным принципом работы. Для активации прибора необходимо, чтобы приемник и передатчик были установлены друг напротив друга. Только при соблюдении данного условия световой луч будет попадать в прибор. Если между приемником и передатчиком возникает барьер (отсюда и название устройства), то датчик подаст соответствующий сигнал.

Благодаря этой особенности они способны контролировать территорию на большом расстоянии. При этом барьерные датчики демонстрируют высокую эффективность. В частности, на работоспособность прибора не влияют капли жидкости и пыль.

Среди минусов барьерных датчиков выделяют следующее:

Последние 2 недостатка можно устранить, изменив соответствующим образом положение регулятора чувствительности. При этом прибор должен быть настроен таким образом, чтобы диаметр луча превосходил размеры объекта, попадающего в контролируемую зону.

Считается, что датчики барьерного типа – самая надежная разновидность подобных устройств. Это обусловлено высокой эффективностью приборов, которые могут контролировать территории большой площади и работают без помех.

Приемник и передатчик у устройств данного типа разрешено размещать на расстоянии в 10 метров друг от друга. К последнему обязательно подводится питание. Передатчик у приборов барьерного типа только транслирует световой луч. Это устройство не требует настройки. Чувствительность и другие параметры работы датчика регулируется на приемнике.

Чтобы оборудование функционировало в рамках заданных параметров, необходимо устанавливать на территории приемник и передатчик из одного комплекта. Компоненты, выпущенные разными производителями, не способны работать друг с другом.

Датчики барьерного типа применяются преимущественно на охраняемых территориях. На промышленных предприятиях устанавливаются устройства других видов.

Диффузные датчики

У датчиков диффузного типа приемник и передатчик размещаются в одном корпусе. Принцип действия данного прибора основан на зеркальном отображении. Суть этого процесса сводится к следующему: передатчик испускает световой луч, который, попадая на объект, рассеивается в разные стороны. Часть таких волн возвращается обратно к датчику, попадая на приемник. В этом случае прибор активируется.

Основной недостаток устройств диффузного типа заключается в том, что датчики не способны выявлять объекты с низкой отражающей способностью. Для подобных случаев применяются выключатели с подавлением фона.

Второй недостаток – небольшая область контроля. Устройства функционируют в зоне на расстоянии в 50 см. Однако диффузные датчики при условии правильной настройки способны сразу выявлять объекты, которые появляются в контролируемой области.

Чтобы определить место, в котором будет установлен датчик, необходимо взять лист чистой бумаги и медленно провести его рядом с датчиком. Прибор должен актироваться на:

Для более точной настройки прибора применяется специальная таблица, в которой указаны отражающие свойства материалов. На основе коэффициентов из этого перечня проводится регулировка устройства.

Рефлекторные датчики

Датчики этого типа активируются при отражении светового луча от рефлектора, после чего тот попадает на приемник. Прибор повторно включается, когда объект покидает контролируемую зону.

Рефлекторные датчики действуют на расстоянии до 10 метров. При этом данное устройство способно контролировать и большую территорию, но тогда снижается эффективность его работы. Объясняется это тем, что по мере увеличения расстояния повышается вероятность смещения направления светового луча из-за вибрации либо пыли.

Рефлекторные датчики, у которых приемник и передатчик размещены в одном корпусе, способны распознавать полупрозрачные объекты. Такие приборы часто используют как один из компонентов конвейера. Датчик регистрирует момент, когда изделие попадает в определенную точку, и сигнализирует о выходе продукции из зоны контроля.

Специфические датчики

Список моделей оптических датчиков не ограничивается приведенными типами. Данные приборы также делятся на следующие виды:

Благодаря такому разнообразию датчиков можно подобрать приборы, которые будут выполнять в том числе и узкоспециализированные задачи.

Классификация по месту установки

Оптические датчики отличаются компактными размерами, что упрощает монтаж приборов. Для расширения области применения производители дополняют такие устройства выносными модулями.

Область применения оптических датчиков

Оптические датчики применяются для определения наличия предметов. Эти устройства позволяют:

Обычно оптические датчики сочетают с системами сигнализации, контроля освещением или приборами с дистанционным управлением. Несмотря на простую конструкцию, обеспечивающую продолжительный срок эксплуатации, устройства демонстрируют высокую точность проводимых измерений. Одновременно с этим датчики за счет использования кодируемого сигнала минимизируют риски стороннего влияния на работу приборов.

Чаще устройства данного типа применяются вместе с охранными системами. В этом случае датчики используются для регистрации движения на территории. Также устройства входят в состав систем автоматического управления оборудованием.

Оптические датчики демонстрируют высокую точность измерения предметов, которые передвигаются с большой скоростью. Поэтому эти устройства применяются для подсчета количества оборотов двигателей разного типа и оценки уровня жидкостей. В обоих случаях датчики в основном применяются на промышленных предприятиях.

Волоконно-оптические датчики

Волоконно-оптические датчики принадлежат к категории электронных устройств, предназначенных для контактной или бесконтактной регистрации изменений физических параметров технологического процесса (температуры, давления, скорости перемещения, вибрации и других показателей) и дальнейшей передачи информации по оптоволоконной линии связи. Благодаря выдающимся метрологическим характеристикам, стабильности и надежности они получили широкое распространение в автоматизированных системах управления и контроля.

Принцип работы

Работа датчиков построена на свойствах оптоволокна, представляющего собой стеклянный или пластиковый сердечник в полиэтиленовой оплетке, закрытой полимерной пленкой. Нитевидный сердечник содержит специальные добавки, улучшающие коэффициент преломления световых волн. Оплетка служит проводником для светового потока.

Оптоволокно выступает в двух ипостасях: как чувствительный элемент и как канал передачи сигнала. Самыми востребованными являются сенсоры с оптическим преобразователем, в состав которых входят чувствительный оптический элемент, приемник и излучатель. Преобразователь размещается между торцами принимающих и передающих волокон, а в качестве излучателя выступает светодиод. Детектор представлен высокочувствительным p-i-n-фотодиодом.

У датчиков с оптическим зондом применяются одно- или многомодовые оптоволоконные кабели или жгуты, в которых источниками света выступают светодиоды либо лазерные излучатели. Эти бесконтактные датчики характеризуются надежностью и высокой чувствительностью и точностью измерений.

Виды и характеристики

Вне зависимости от типа оптоволоконные датчики работают по одному и тому же принципу, основанному на перемещении электромагнитной волны (светового излучения) по оптоволокну. При этом под действием внешних факторов параметры волокна видоизменяются в волоконных решетках Брэгга и регистрируются модулем детектирования.

Оптоволоконные датчики подразделяются на две категории:

Аналогичным образом работают акустические датчики, где пульсация изучения, проходящего по оптоволокну, фиксируется анализатором, что позволяет обнаружить звуковую волну и установить ее источник. Эти устройства хорошо себя проявили в системах контроля доступа, сигнализируя о попытке несанкционированного проникновения в запретную зону.

В случае, когда требуется транслировать сигнал на расстоянии, оптоволокно должно быть многомодовым. Если оптоволокно выполняет функции сенсора, оно может быть одномодовым.

Область применения волоконно-оптических датчиков

Наиболее распространены оптоволоконные устройства, работающих на принципе решеток Брэгга. Их можно использовать практически повсеместно, в том числе в агрессивных средах. В частности, волоконно-оптические датчики применяются в:

Разработка новых технологий в производстве волоконно-оптических датчиков позволяет снижать стоимость этих приборов и все более интенсивно использовать их там, где применение других средств измерения невозможно или экономически нецелесообразно.

В условиях высокого уровня автоматизации современных производств необходимость измерения расстояний является одной из базовых функций, лежащей в основе самых разных производственных процессов, начиная, например, с измерения диаметра бобины расходуемого упаковочного материала для её своевременной замены, и заканчивая определением минимального безопасного расстояния между движущимися рельсовыми кранами во избежание их столкновений.

Дальномеры ODSL производства Leuze Electronic работают в различных диапазонах расстояний – от 5 мм до 30 м. В зависимости от цели применения можно выбрать высокоточные или быстродействующие модели, с цифровыми или аналоговыми выходами (как по току, так и по напряжению), с различными интерфейсами (RS232/RS485/IO-link), как в видимом, так и ИК диапазонах, в пластиковых или металлических корпусах, а также во взрывозащищенном исполнении.

Оптические датчики измерения расстояния от производителя ODSL

Данные изделия представляют собой лазерные системы, которые в зависимости от модели и мощности могут находить нужные элементы на расстоянии до 30 м. Принцип работы датчиков положения довольно прост: устройство испускает световой луч, который доходит до определяемого объекта и возвращается после отражения. Затем происходит измерение пройденного расстояния с выводом результата на дисплей.

Лазерные оптические датчики измерения расстояния от ODSL отличается высоким качеством и долговечностью, поскольку изготавливалась с применением последних компьютерных технологий. Аппараты могут работать в достаточно широком температурном диапазоне от -10 до +60 °С. Поскольку световой поток лазерной установки весьма узкий, он не рассеивается при дневном свете и отлично виден при любых климатических условиях.