Файл: Датчики положения.docx

Датчики на основе оптической линейки

Другое название датчиков – оптоэлектронные растровые преобразователи.

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



1 - шкала, 2 - плата фотоприемников, 3 - растровый анализатор, 4 - плата осветителей

Растровый анализатор содержит 4 окна А, А, В, В инкрементного считывания и окно референтной метки Б.



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

Каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой, делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора.

Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы 2.

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

---

, много меньшей периода регулярного растра.



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

Достоинства: очень высокая точность (дискретность до 0,1 мкм), высокая степень защищенности и устойчивости к внешним воздействиям, большой диапазон измерения (до 3 м).

Недостатки: значительные линейные размеры, превышающие диапазон измерения, очень высокая стоимость.

Оптические (лазерные) датчики перемещения

В основу работы датчика положен принцип оптической триангуляции. Излучение полупроводникового лазера 1 фокусируется объективом 2 на объекте 6. Рассеянное на объекте излучение объективом 3 собирается на CCD-линейке 4. Процессор сигналов 5 рассчитывает расстояние до объекта по положению изображения светового пятна на линейке 4.

 

Достоинства: бесконтактность действия, большая точность (до 1 мкм), относительно большой диапазон измерения (L до 2 м при Х до 300 мм).

Недостатки: высокая стоимость, ограниченность применения.

---

Датчики скорости

Датчики скорости.

ДС – это преобразователи угловой скорости двигателя или скорости движения рабочего органа механизма в электрический сигнал. Аналоговые ДС – тахогенераторы постоянного и переменного тока, тахометрические мосты, магнитоиндукционные.

Цифровые датчики скорости используют в современных системах автоматического электропривода с большими диапазонами регулирования скорости и высокими требованиями к точности.

Цифровой ДС содержит:

а) датчик импульсов (преобразователь скорости в последовательность прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной скорости);

б) счетчик импульсов (преобразователь, формирующий на интервале измерения цифровой код a_n-1 a_n-2 …a₁ a₀ (двоичное число скорости).

в) генератор импульсов, формирующий либо заданный интервал измерения, либо счетные импульсы, подсчитываемые на интервале измерения, определяемом периодом импульсов датчика импульсов;

г) индикатор (блок индикации скорости) для контроля скорости.



Наиболее широкое применение получили цифровые ДС с фотоэлектрическим импульсным преобразователем. Преобразователь датчика вырабатывает 2 серии импульсов, сдвинутые по фазе на π/2, что необходимо для определения величины и знака угловой скорости. На двух дорожках кодового диска расположены пропускающие свет щели. В каждом канале свет от светодиода СД через щель попадает на фотодиод ФД, который открывается и появляется ток J_ФД. Он усиливается усилителем УС. Триггеры Шмитта ТШ формируют на выходе прямоугольные импульсы U₁ и U₂ с постоянной амплитудой, сдвинутые по фазе на П/2.

Выделение импульсов из каналов преобразователя для положительного f_ω или отрицательного f _–ω направления скорости осуществляется логическим узлом ЛУ.

Счетчик СИ, получая сигналы f_ω (f – ω) от ЛУ, считает число импульсов N за заданный интервал времени:

N = f ω T = (M·T/2π)·ω,

где ω – угловая скорость входного вала,

---

М – число импульсов за 1 оборот диска (число щелей),

T = 1/f_ГИ – заданный интервал времени в цикле,

f_ГИ – частота импульсов генератора ГИ.

Дискретность датчика скорости:

Δω₀ = ω/N = 2π / TM.

Относительная погрешность измерения, обусловленная дискретностью процесса:

δ = (Δω₀ / ω)·100 = (2 π / Т М ω)·100.

При М = 600 имп/об, Т = 0,1 с для ω = 100 с^-1 - δ = 10%.

Высокую точность измерения скоростей можно обеспечить так: подсчитывать число импульсов генератора f_ГИ, вмещающихся на изменяемом интервале времени, определяемом частотой импульсов преобразователя из выражения Т = 1/f_ω. Однако с ростом ω в этом случае будет возрастать погрешность измерения:

δ = (ω / f_ГИ · 2 π) ·100.

Комбинация описанных способов счета импульсов позволяет получить высокоточный цифровой датчик в широком диапазоне измерения скорости.

2.6 Датчики температуры

Биметаллические преобразователи

В них осуществляется преобразование теплового воздействия в механическое перемещение воспринимающего элемента или в изменение его электрических параметров.

Воспринимающим элементом датчика с механическим перемещением является биметаллический элемент 1 (2 соединенные металлические пластинки с разными тепловыми коэффициентами расширения). При нагреве она прогибается. Усилие, развиваемое при нагреве, используется для приведения в действие исполнительной части контактов.



1 – биметаллическая пластина; 2 – упругий рычаг; 3 – штифт; 4 – регулировочный винт; 5 – корпус.

Если к пластине подвести электрический ток, то основной характеристикой датчика является зависимость времени срабатывания t_СР от тока I, протекающего через пластину.

t_СР = Т_Н ln I²/(I² - I_СР²) , где Т_Н – постоянная времени нагрева реле.

Достоинства: простота и надежность конструкции, возможность работы без электрического тока, низкая стоимость, возможность совершения механического перемещения.

Недостатки: значительные размеры и инерционность, ограниченный диапазон измерения температуры (от - 40 до + 550 

---

⁰ С), большой разброс характеристик, а также большой гистерезис переключения, особенно при низких температурах.

Термометры сопротивления

Термометр сопротивления это термометр, как правило, в металлическом или керамическом корпусе, чувствительный элемент которого представляет собой резистор, выполненный из металлической проволоки или пленки и имеющий зависимость электрического сопротивления от температуры

R₁ = R₀ (1 + α (T₁ – T₀)),

где R₀ – сопротивление при 0 °C,

R₁ – сопротивление при температуре T₁,

α – температурный коэффициент, зависит от материала датчика.

R₀ в большинстве случаев выбирают равным 100, 500 или 1000 Ом, для медных датчиков – 10 Ом.

Самый популярный тип термометра – платиновый ТС, это объясняется высоким температурным коэффициентом платины, ее устойчивостью к окислению и хорошей технологичностью. В качестве рабочих средств измерений применяются также медные и никелевые термометры.

Свойства термометров сопротивления

Металл	Температурный коэффициент α	Рекомендуемый диапазон температур	Описание
Платина	0.0039 °C-1	–196 °C до 600 °C	Высокая точность и стабильность. Характеристика сопротивление-температура близка к линейной. Самый широкий диапазон температур. Высокое удельное сопротивление.
Никель	0,0054 °C-1	–60 °C до 180 °C	Наиболее высокий температурный коэффициент; наибольший выходной сигнал сопротивления.
Медь	0.0043 °C-1	–50 °C до 150 °C	Имеют наиболее линейную характеристику, но очень ограниченный диапазон температур. Очень низкое удельное сопротивление, что обуславливает необходимость использования проволоки значительной длины.

Достоинства: хорошая линейность характеристики, высокая точность и стабильность, высокая взаимозаменяемость в широком диапазоне температур.

Недостатки: низкая чувствительность, относительно большая инерционность, необходимость трех- или четырех-проводной схемы подключения, чувствительность к ударам и вибрациям, необходим источник тока, высокая стоимость

---