Виды датчиков положения (перемещения) и их особенности
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.
Достоинства:
- 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;
Недостатки:
- 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.
Достоинства:
- возможность проведения бесконтактных измерений;
- высокая точность и быстродействие;
- чувствительность к поляризации. Это негативно сказывается на стоимости подобных устройств.
Датчики подразделяются на:
- Инкрементальные датчики (или энкодеры) - это датчики, которые устанавливают на серводвигателях для определения положения при перемещении или угла поворота вращающегося объекта посредством выдачи цифрового кода на контрольное оборудование. Они работают относительно опорной точки. После сбоя питания необходимо время, пока энкодер отправит информацию об опорной точке. Это необходимо для верного использования данных об угловом смещении и системе обработки данных. На фото изображён подобный датчик с опорным импульсом.
- Абсолютные датчики работают сразу после включения питания. Для подсчёта числа выполненных оборотов используются абсолютные многооборотные энкодеры. На фото приведён 10-битный абсолютный датчик с цифровым выходом.
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.
Достоинства:
- простота и прочность конструкции;
- отсутствие скользящих контактов;
- возможность подключения к источникам промышленной частоты;
- относительно большая выходная мощность (до десятков Ватт);
- значительная чувствительность.
Недостатки:
- точность работы зависит от стабильности питающего напряжения;
- возможна работа только на переменном токе.
Подразделяются на:
- Однотактные датчики предназначены для измерения сравнительно малых угловых или линейных механических перемещений (от доли микрометра до 5 мм) и для преобразования их в электрические сигналы переменного тока.
Состоят из:
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.
- Двухтактные. Существуют две схемы включения датчиков:
- 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.
Достоинства:
- 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.
Достоинства:
- 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.
Достоинства:
- 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.
- Датчики ферродинамического типа состоят из:
1 – ярмо;
2 – сердечник;
3 – обмотка, размещённая на подвижной рамке;
4 – обмотка возбуждения.
- Микросин от трансформаторных датчиков отличается большей надёжностью вследствие отсутствия токосъемного контакта, от ферродинамических – большим диапазоном измеряемых углов. Состоит из:
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".
Оставить заявку или получить обратную связь вы можете написав нам на info@industriation.ru или позвонив по бесплатному номеру 8 800 550-72-52. Специалисты отдела продаж подберут оборудование, проконсультируют по возникшим вопросам и проконтролируют поставку.
