Проволочные потенциометры изготавливают из тонкого провода диаметром порядка 0,01 мм. Разрешающая способность при этом составляет около 1% от полной шкалы измерения. Разрешение пленочного потенциометра ограничивается неоднородностью резистивного материала. Такие устройства изготавливают из проводящей пластмассы, углеродных пленок, смеси металла и керамики (кермет).

Недостатки потенциометров:

• значительная механическая нагрузка;

• необходимость в механическом контакте с объектом;

• низкое быстродействие;

• нагрев потенциометра;

• низкая устойчивость к влияющим факторам.

Бесконтактные методы измерения расстояния до объекта

Самые первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF. Эти простейшие датчики до сих пор находят огромное применение в различных областях промышленности. В то же время для решения более сложных задач автоматизации технологических процессов нужна дополнительная информация о положении объектов измерения. Для этих целей были разработаны датчики, позволяющие определять расстояние до объекта и его положение с помощью аналогового выхода, сигнал на котором пропорционален расстоянию до измеряемого объекта. Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, таких как определение расстояния до объекта, измерение толщины, измерение наклона и деформации, измерение профиля изделия, центровка и измерение диаметра.

Датчики для измерения расстояния могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта.

В таблице 1 представлены основные типы аналоговых бесконтактных датчиков для измерения расстояний и их основные особенности.

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Вместе с тем, несмотря на хорошую точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения.

---

Проблемы с линейностью могут быть решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм, со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Ультразвуковые датчики. Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезоэлектрический преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений.

Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов.

---

Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных:

малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая преобразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях.

Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек. Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния, необходимо ответить на ряд вопросов, например:

Из чего состоит объект измерения?

Какое расстояние до объекта?

Какая требуется точность?

Насколько быстро движется объект?

Какие существуют внешние неблагоприятные условия?

Какой тип выходного сигнала необходим?

Насколько ограничено пространство для установки датчика?

2.1 Микроволоновые устройства измерения расстояния до объекта

Для измерения расстояний до объекта широко применяют так называемые микромощные импульсные радары (МИР).

Рис. 2.1 Блок – схема микромощного импульсного радара и временная диаграмма его работы.

Радиопередатчик такого устройства вырабатывает высокочастотный радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через антенну передаются в окружающую среду. Волны отражаются от объекта и возвращаются обратно на радар. Тот же импульсный генератор с определенной задержкой времени управляет радиоприемником. Поэтому приемник получает сигнал только в строго заданном интервале времени.

---

Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные сигналы демодулируются, после чего определяется временная задержка между переданным и принятым сигналами, пропорциональная расстоянию до объекта. Шанс наложения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал. Даже если это и происходит, то схема значительно снизит уровень помех. Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка 10000 полученных импульсов.

Другими достоинствами МИР является их низкая стоимость, очень малая потребляемая мощность (десятки микроватт).

Устройства данного типа применяются в измерителях расстояний, в детекторах обнаружения, в датчиках уровня, в автоматизированных системах, роботах, медицинских инструментах, системах вооружения и т.п.

СВЧ датчики являются альтернативой другим датчикам, когда требуется контролировать большие площади и работать в широком температурном диапазоне в сильно зашумленных условиях: при ветре, акустических помехах, в тумане, в пыли, влажности и т.д. Принцип действия СВЧ датчиков основан на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону охраняемой зоны. Самыми распространенными частотами являются частоты 10, 525 ГГц (Х - диапазон) и 24, 125 ГГц (К - диапазон). Мощность излучения должна быть достаточно низкой, чтобы не причинять вред здоровью людей, длина волны должна быть достаточно большой, чтобы свободно проходить сквозь большинство частиц, загрязняющих воздух, и достаточно короткой, чтобы отражаться от больших объектов.

2.6 Ультразвуковые датчики расстояний

Для проведения измерения расстояния до объекта необходимо использовать активный датчик, который бы мог одновременно передавать, и принимать отраженный сигнал. Энергия излучения может быть не только электромагнитной, но и акустической. Принцип передачи и приема ультразвуковых волн лежит в основе широко распространенных акустических датчиков для измерения расстояний и скорости движения объектов. Отраженная волна почти равномерно распределяется внутри широкого пространственного угла, который может достигать 180°. При перемещении объекта частота отраженных волн будет отличаться от эталонной. При этом расстояние до объекта можно определить по формуле:

Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по сравнению с объектом, то сosθ приблизительно равен единице.

Преимущество ультразвуковых датчиков по сравнению с микроволновыми заключается в том, что они распространяются со значительно меньшей скоростью. Поэтому интервалы времени значительно больше, что упрощает их измерение.

Рис. 2.12 Ультразвуковые измерители расстояний: А – принципиальная схема; Б – импедансная характеристика преобразователя.

На рисунке представлена типовая конструкция ультразвукового преобразователя перемещений, работающего в воздушной среде. На практике важно знать вид диаграммы направленности датчика. Чем уже диаграмма, тем выше будет чувствительность преобразователя.

---

Рис. 2.13 Конструкция пьезоэлектрического ультразвукового преобразователя и диаграмма направленности излучения.

Спектрометричні методи вимірювання размірів

Основні електричні методи та відповідні засоби вимірювань лінійних та кутових розмірів залежно від наявності чи відсутності механічного контакту між досліджуваним об'єктом та засобом вимірювань поділяють на контактні та безконтактні, а залежно від принципу вимірювального перетворення методи поділяють на електромеханічні, електрофізичні та спектрометричні (хвильові).

Електромеханічні методи залежно від виду первинного перетворювача поділяють на резистивні, індуктивні, ємнісні, оптоелектронні, обкочування тощо.

Електрофізичні методи вимірювань основані на використанні відмінності в фізичних властивостях речовин, що знаходяться на різних сторонах границь вимірюваного розміру. Для вимірювань лінійних та кутових розмірів використовують методи та прилади, основані на відмінностях електричних, магнітних, теплових та інших властивостей. Відповідно електрофізичні методи поділяються на електромагнітні, ємнісні, кондуктометричні тощо. Найпоширенішими з електромагнітних є вихрострумові та резонансні методи.

Спектрометричні методи та відповідні засоби вимірювань залежно від довжини хвилі випромінювання, що використовується при вимірюванні, поділяють на звукові, ультразвукові, радіохвильові, надвисокочастотні, оптичні (лазерні). Залежно від фізичних явищ, які використовуються при вимірюванні, спектрометричні методи класифікують на локаційні, інтерферометричні, рефрактометричні тощо.

Електромеханічні методи широко застосовуються для вимірювань розмірів деталей та шорсткуватості поверхні (контактні штангенциркулі., мікрометри, профілометри), для вимірювань рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Для вимірювань відстаней, пройдених транспортними засобами, широко використовують спосіб обкочування.

В контактних мікрометрах та профілометрах координати досліджуваного об'єкта попередньо перетворюються в лінійне переміщення голкоподібного щупа, а згодом в електричний сигнал за допомогою індуктивних, взаємоіндуктивних чи ємнісних перетворювачів.

Рис. 1 До принципу дії ємнісного профілометра

Рисунок 1 пояснює принцип дії вимірювача малих розмірів на основі ємнісного перетворювача, який є елементом І-С-контура кварцового генератора. Ємнісний перетворювач має нерухомий електрод 1, напилений на полірований скляний стержень 2, та рухомий електрод З, механічно з'єднаний з голкоподібним щупом 4, закріпленим в корпусі за допомогою плоских пружин 5. Ємнісний перетворювач за допомогою кабеля з'єднаний з кварцовим генератором, вихідна частота  якого є функцією ємності  між рухомим та нерухомим електродами. Частота  та частота  від опорного генератора частоти подаються на вхід змішувача, вихідна частота якого . Виміряна частотоміром частота  відповідатиме значенню вимірюваного розміру.

---

Смотрите также файлы

• Kursova (частина 1).docx

• Kursova (частина 2).docx

• Лаб 3.doc

• Варіант1ОСТ.doc

• Лаб 4.doc