2. Контроль технологических параметров

1. Контроль перемещения и положения

Датчики могут определять абсолютное или относительное положение контролируемого объекта. В первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отражают перемещение. Такие датчики положения называются абсолютными. К ним относятся резистивные (потенциометрические) датчики, индуктивные датчики с подвижным сердечником, емкостные датчики с подвижными обкладками, цифровые кодовые датчики абсолютных значений.

Во втором методе датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяется подсчетом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называются относительными. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, является простота и низкая стоимость, а недостатком необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

Датчики также делятся на контактные и бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляется посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

Потенциометрические (реостатные) преобразователи

Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в пропорциональные им напряжение или ток. Они представляют собой резистор с изменяющимся активным сопротивлением, которое определяется перемещением движка.

Входной величиной датчика является перемещение контакта (движка), а выходной  изменение его сопротивления. Подвижный контакт механически связывают с объектом, угловое или линейное перемещение которого необходимо измерить. Перемещение объекта преобразовывается в изменение электрической величины (ток или напряжение). Такие преобразователи находят применение в поплавковых измерителях уровня жидкостей, жидкостных и деформационных манометрах и т. п.

Потенциометрический преобразователь включают в электрическую цепь постоянного или переменного тока делителем напряжения (рис. 2.1 а) в соответствии с известным потенциометрическим методом измерения напряжения. Выходной величиной такого датчика является падение напряжения U_вых между подвижным и одним из неподвижных контактов. Зависимость выходного напряжения от перемещения х контакта U_вых = f(х) соответствует закону изменения сопротив­ления вдоль потенциометра. Закон распределения сопротивления по длине потенциометра, определяемый его конструкцией, может быть линейным или нелинейным (рис. 2.1.1 б).

Рис. 2.1.1. Потенциометрический датчик:

а – схема; б – статические характеристики

П

Рис. 2.1.2. Потенциометрический преобразователь угловых перемещений

отенциометрические датчики, конструктивно представляющие собой переменные резисторы, выполняют из различных материалов  обмоточного провода, металлических пленок, полупроводников и т. д. Широко распространенной конструкцией потенциометрического датчика является проволочный реостат (рис. 2.1.2), состоящий из каркаса 1 с намотанной на негоизолированной проволокой и подвижного токосъемного контакта 2 в виде щетки, скользящей по виткам провода, очищенного в месте контактирования от изоляции. Каркас изготовляют из пластмассы, керамики или алюминия с оксидированной поверхностью. Для обмотки используется проволока из сплавов с большим удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления (манганин, константан, нихром, спе-циальные сплавы платины). Диаметр обмоточной проволоки определяет порог чувствительности датчика, так как перемещение щетки в пределах одного витка не вызывает изменения выходного напряжения. Поэтому выходное напряжение изменяется не плавно, а скачкообразно и изображается в виде ступенчатой линии. Размеры ступенек зависят от подведенного к датчику напряжения U₀ сопротивления одного витка и числа витков обмотки. Уменьшение ступенчатости достигается уменьшением диаметра обмоточного провода (до 0,03 мм). Следовательно, уменьшение ширины ступени (за счет уменьшения диаметра провода) позволяет повысить чувствительность датчика.

Для линейного потенциометра за идеальную характеристику принимают прямую, проходящую через середины ступенек. Линейным считается такой потенциометр, у которого на каждую единицу его длины L приходится одно и то же сопротивление, то есть

,

где R и R_x  соответственно полное сопротивление и сопротивление участка х потенциометра.

В этом случае зона нечувствительности в единицах сопротивления составит:

,

где R_п и ω  соответственно полное сопротивление и число витков обмотки потенциометра.

Для получения бесступенчатой характеристики применяют пленочные реостаты, представляющие собой диэлектрическое основание (каркас), на которое гальваническим способом нанесен тонкий слой твердого металла. Щетка (движок) контактирует со сплошной гладкой металлической поверхностью. Достоинством таких потенциометров является возможность плавного изменения выходного напряжения и простота воспроизведения сложной функциональной зависимости между перемещением и выходным напряжением.

Выходное напряжение линейных потенциометрических датчи­ков в режиме холостого хода (R_н = ) пропорционально смеще­нию скользящего контакта:

,

где R_п и R_x  соответственно полное сопротивление и сопротивление участка х потенциометра (см. рис. 2.1.1 а).

Однако при наличии нагрузки (R_н  ) характеристика становится нелинейной и в работе потенциометра появляется погрешность.

Из графика на рис. 2.1.1 б видно, что чем меньше сопротивление нагрузки R_н по сравнению с полным сопротивлением потенциометра R_п, тем больше статическая характеристика датчика отклоняется от прямой и тем больше погрешность.

К достоинствам потенциометрических датчиков относятся простота конструкции, небольшие размеры, масса и возможность получения линейной характеристики, работа как с переменным, так и постоянным током. Однако им присущи серьезные недостатки — невысокая чувствительность и низкая надежность из-за подвижного контакта, обрыва намотки и др.

Средствами борьбы с этими дестабилизирующими факторами являются:

• использование новейших резистивных покрытий и компаундов заполнения на основе пластиков;

• применение фоторезистивных покрытий;

• использование магнитозависимых резисторов для бесконтактного считывания положения;

• использование встроенных в резистор редукторов для улучшения разрешения.

Из перечисленного выше ясно, что датчики подобного типа не могут отображать быстрые, повторяющиеся движения и применяться там, где есть сильные вибрации.

Обычно реостатные датчики применяют в механических измерительных приборах для преобразования их показаний в электрические величины (ток или напряжение), например, в поплавковых измерителях уровня жидкостей, различных манометрах и т. п.

Емкостные преобразователи

Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Емкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Они характеризуются простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов. Если материалы правильно подобраны, то можно сделать пренебрежимо малым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками. С другой стороны, необходимо защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками от пыли, влажности, коррозии, ионизирующей радиации.

Возможные области применения емкостных датчиков чрезвычайно разнообразны. Они используются в системах регулирования и управления производственными процессами почти во всех отраслях промышленности. Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Емкость для плоского конденсатора определяется следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками; S и d – площадь поверхности обкладок и расстояние между ними соответственно.

Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами:

- переменной диэлектрической проницаемостью среды ε;

- площадью перекрытия обкладок S;

- изменяющимся расстоянием между обкладками d.

В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друг друга (рис. 2.1.3). На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Рис. 2.1.3. Измерение перемещений емкостным преобразователем: а, б - линейных; в – угловых

По способу исполнения все емкостные измерительные преобразователи можно разделить на одноемкостные и двухъемкостные (дифференциальные) датчики.

Одноемкостный датчик прост по конструкции и представляет собой один конденсатор с переменной емкостью. К его недостаткам относится значительное влияние внешних факторов, таких как влажность и температура. Для компенсации указанных погрешностей применяют дифференциальные конструкции, при этом существенно повышается точность и стабильность таких устройств.

На основе конденсатора, у которого электрическое поле в рабочем зазоре равномерно, могут быть созданы конструкции емкостных датчиков перемещения двух основных типов:

- с переменной площадью электродов;

- с переменным зазором между электродами.

Очевидно, что первые более удобны для измерения больших перемещений (единицы, десятки и сотни миллиметров), а вторые – для измерения малых и сверхмалых перемещений (доли миллиметра, микрометры и менее).

Емкостные датчики обладают целым рядом преимуществ по сравнению с датчиками других типов. К их достоинствам относятся:

- простота изготовления, использование недорогих материалов для производства;

- малые габариты и вес;

- низкое потребление энергии;

- высокая чувствительность;

- долгий срок эксплуатации;

- простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям.

К недостаткам емкостных датчиков следует отнести:

- сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования);

- высокие требования к экранированию деталей;

- необходимость работы на повышенной частоте (400 Гц и выше).

Индуктивные преобразователи

Индуктивный датчик  это преобразователь параметрического типа, принцип действия которого основан на изменении индуктивности L или взаимоиндуктивности обмотки с сердечником вследствие изменения магнитного сопротивления магнитной цепи датчика.

По схеме построения индуктивные датчики можно разделить на одинарные и дифференциальные. Одинарный индуктивный датчик содержит одну измерительную ветвь, дифференциальный – две.

В дифференциальном индуктивном датчике при изменении измеряемого параметра одновременно изменяются индуктивности двух одинаковых катушек, причем изменение происходит на одну и ту же величину, но с обратным знаком.

Рассмотрим одинарный индуктивный датчик (рис. 2.4). В основу его работы положено свойство дросселя с воздушным зазором изменять свою индуктивность при изменении величины воздушного зазора.

Рис. 2.1.4. Индуктивный преобразователь

Индуктивный датчик состоит из ярма 1, обмотки 2, якоря 3. На обмотку 2 через сопротивление нагрузки R_н подается напряжение питания переменного тока. Ток в цепи нагрузки определяется как

где r_д  активное сопротивление дросселя; L  индуктивность датчика.

Так как активное сопротивление цепи – величина постоянная, то изменение тока I может происходить только за счет изменения индуктивной составляющей, которая зависит от величины воздушного зазора δ.

В целом рассмотренный индуктивный датчик имеет следующие недостатки:

- не меняется фаза тока при изменении направления перемещения;

- при необходимости измерять перемещение в обоих направлениях, нужно устанавливать начальный воздушный зазор и, следовательно, ток I₀, что неудобно;

- ток в нагрузке зависит от амплитуды и частоты питающего напряжения;

- в процессе работы датчика на якорь действует сила притяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается и, следовательно, вносит погрешность в работу датчика.

Дифференциальные индуктивные датчики представляют собой совокупность двух нереверсивных датчиков и выполняются в виде системы, состоящей из двух магнитопроводов с общим якорем и двумя катушками (рис. 2.1.5). Для дифференциальных индуктивных датчиков необходимы два раздельных источника питания, для чего обычно используется разделительный трансформатор 5.

Рис. 2.1.5. Дифференциальный индуктивный датчик

По форме магнитопровода могут быть дифференциально-индуктивные датчики с магнитопроводом Ш-образной формы, набранные из мостов электротехнической стали (при частотах выше 1000 Гц применяются железоникелевые сплавы  пермолой), и цилиндрические со сплошным магнитопроводом круглого сечения. Выбор формы датчика зависит от конструктивного сочетания его с контролируемым устройством. Применение Ш-образного магнитопровода обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика.

Для питания дифференциально-индуктивного датчика используют трансформатор 5 с выводом средней точки на вторичной обмотке. Между ним и общим концом обеих катушек включается измерительный прибор 4. Воздушный зазор составляет 0,2…0,5 мм.

При среднем положении якоря, когда воздушные зазоры одинаковы, индуктивные сопротивления катушек 3 и 3' одинаковы, следовательно величины токов в катушках равны I₁=I₂, и результирующий ток в приборе равен нулю.

При небольшом отклонении якоря в ту или иную сторону под действием контролируемой величины Х меняются величины зазоров и индуктивностей, прибор регистрирует разностный ток (I₁I₂), он является функцией смещения якоря от среднего положения. Разность токов обычно регистрируется с помощью микроамперметра с выпрямительной схемой на входе.

Широкое применение индуктивные датчики находят в промышленности для измерения перемещений в диапазоне от 1 мкм до 20 мм. Датчики этого типа, с одной стороны, чувствительны к внешним электромагнитным полям, а с другой способны сами их индуцировать. Поэтому необходимо их экранировать.     Индуктивные датчики довольно дороги и сложны в обработке снимаемых сигналов, требуют запитки стабильным синусоидальным напряжением, но зато практически не зависят от атмосферных условий, пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды, имеют высокое время наработки на отказ, дают очень высокую точность и линейность.

Реальная характеристика индуктивного датчика U_вых = f(δ) приведена на рис. 2.1.6.

Рис. 2.1.6. Характеристика индуктивного датчика

Структура индуктивного датчика перемещения изображена на рисунке 2.7.

Рис 2.1.7. Структура индуктивного преобразователя перемещения:

1 – чувствительный элемент; 2 – LC-генератор; 3 – демодулятор (детектор); 4 – буферный усилитель; 5 – преобразователь «напряжение – ток»

На основе таких датчиков можно проектировать устройства, измеряющие расстояние до объекта с установленной точностью или, используя калиброванный упругий элемент, можно построить недорогие измерители натяжения, давления, аналоговые весы.

Трансформаторные преобразователи

Трансформаторный датчик – это измерительный преобразователь в виде трансформатора, вторичное напряжение которого изменяется в результате изменения воздушного зазора между якорем и сердечником пропорционально измеряемой величине. Механическая величина (перемещение, усилие) преобразовывается в изменение коэффициента трансформации трансформатора или коэффициента взаимной индукции между его первичной и вторичной обмотками.

На рис. 2.1.8 а показана схема простейшего трансформаторного датчика, в котором в соответствии с измеряемым перемещением х изменяется зазор в магнитопроводе. Он состоит из якоря 1 (подвижной части), магнитопровода 2 (неподвижной части); w₁, w₂  обмотки датчика, U₁  напряжение питания; U₂  вторичное напряжение, х  измеряемая величина (перемещение).

При постоянной амплитуде напряжения U₁ напряжение U₂ зависит от размера зазора, то есть от х.

Для улучшения метрологических характеристик датчика его вторичную обмотку обычно делят на две идентичные секции (рис. 2.8 б), включенные встречно (дифференциально). При симметричном расположении подвижной части магнитопровода относительно секций вторичной обмотки суммарное напряжение на них практически равно нулю; при смещении подвижной части оно изменяется соответственно величине смещения. Для дифференциального трансформаторного преобразователя характерны высокая чувствительность, линейность статической характеристики, а следовательно, точность преобразования и измерения.

а

б

Рис. 2.1.8. Схема трансформаторных датчиков перемещения: а  с переменным зазором; б  дифференциального

Трансформаторные преобразователи позволяют измерять перемещения от 0,01 до 20 мм и более.

Фотодатчики

Для дистанционного измерения перемещений применяются фотоэлектрические датчики. Фотоэлектрические датчики являются преобразователями оптического сигнала в электрический. Они состоят (рис.2.1.9) из источника излучения и фотоприемника (приемника излучения).

Рис. 2.1.9. Фотоэлектрический датчик

В качестве источников излучения для фотоэлектрических датчиков используются лампы накаливания, газоразрядные лампы, светодиоды и лазеры. Основными харак­теристиками источников являются спектры излучения.

Приемниками сигнала могут быть фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. В настоящее время широкое применение находят полупроводниковые фотопреобразователи, так как обладают высоким быстродей­ствием и долговеч­ностью.

Приемник анализирует поступивший световой поток, проверяет, поступил ли он от источника излучения, и передает соответствующий сигнал на усилитель и далее на исполнительное устройство.

Существуют следующие виды фотодатчиков.

1. Фотоэлектрические датчики расстояния объединяют в одном корпусе приемник и передатчик и не требуют специальных маркеров для измерения расстояния до объекта. Принцип измерений основан на измерении времени прохождения луча от объекта до приемника. Диапазон сканирования и срабатывания может быть отрегулирован посредством настройки чувствительности.

2. Фотоэлектрические датчики с отражателем объединяют передатчик и приемник в одном корпусе. Линейка датчиков включает модели с различным диапазоном срабатывания и модели, работающие с отражателями различного диаметра. Для устранения бликов от других объектов предусмотрены поляризационные фильтры.

3. Фотоэлектрические датчики на основе пересечения луча. В этом датчике передатчик и приемник разделены по разным корпусам, что позволяет устанавливать их напротив друг друга на требуемом расстоянии. Принцип работы основан на том, что передатчик постоянно посылает световой луч, который принимает приемник. Если световой сигнал датчика прекращается вследствие перекрытия сторонним объектом, приемник немедленно реагирует, меняя состояние выхода. Датчики способны обнаруживать прозрачные и отражающие предметы.

Достоинства фотопреобразователей:

- диапазон действия фотодатчиков существенно превосходит индуктивные, емкостные и другие виды датчиков;

- высокая чувствительность даже при миниатюрном исполнении и многочисленные варианты конструкций корпуса позволяют фотодатчикам решать практически любые задачи;

- стойкость к сильным электромагнитным излучениям;

- рабочий диапазон температур от –40 до +60°C;

- обнаружение проблемных объектов: прозрачных с высокой отражательной способностью, светлых и темных, на близком и большом расстоянии;

- высокая частота работы, малое время отклика;

- возможность установки в ограниченных пространствах.

К недостаткам следует отнести то, что следует учитывать отражательную способность и цвет объекта, так как они влияют на рабочий диапазон, и необходимость следить, чтобы линзы датчиков не загрязнялись.

Бесконтактные выключатели

Бесконтактные датчики положения (часто их называют просто датчики положения или бесконтактные выключатели) пришли на смену традиционным концевым выключателям более 20 лет назад, и теперь они широко применяются во всех отраслях промышленности для определения положения механизмов, счета и позиционирования продукции.

Датчики положения и перемещения являются важным связующим звеном между электронной и механической частями приборов. Датчики положения являются первичными источниками информации для систем автоматики как на основе релейных или логических схем, так и на базе программируемых контроллеров. Именно бесконтактные датчики положения часто располагаются в зоне воздействия вибрации, пыли, воды, агрессивных жидкостей, предельных температур, электромагнитных помех, и надежность их работы определяет надежность работы всей системы управления.

Технические характеристики бесконтактных выключателей нормируются действующими стандартами, в частности ГОСТ Р 50030.5.2 99, соответствующим стандарту МЭК IEC 60947-5 2.

Бесконтактные датчики положения классифицируются по следующим основным параметрам:

• Принцип действия чувствительного элемента — индуктивный, оптический, емкостный и др.

• Вид корпуса — цилиндрический, фланцевый, щелевой и др.

• Расстояние срабатывания датчика и соответствующие ему размеры корпуса.

• Индуктивные датчики различаются по условиям установки в конструкцию — утапливаемого и неутапливаемого исполнения, последним необходимо наличие вокруг чувствительного элемента датчика зоны, свободной от металла.

• Напряжение питания и схема подключения — 220 В АС, 12-24 В DC; двух- и трехпроводные схемы подключения.

Конструктивное исполнение датчика, его конструктивная совместимость с оборудованием и условиями эксплуатации, а также совместимость датчика со схемой электроавтоматики определяют выбор того или иного бесконтактного преобразователя положения.

Выбор по виду чувствительного элемента производится в первую очередь, как при разработке, так и при замене датчика.

На рис. 2.1.10 приведена функциональная схема оптического бесконтактного выключателя (ВБО). Он имеет собственный излучатель и приемник оптического излучения. В изделиях ВБО марки «Сенсор» [13] используют кодированное излучение инфракрасного диапазона.

Рис. 2.1.10. Функциональная схема ВБО

Излучатель – это устройство, состоящее из источника оптического излучения, линз и необходимой электрической схемы, создающее оптический луч.

Приемник – устройство, состоящее из чувствительного элемента, линз и необходимой электрической схемы, воспринимающее оптический луч от излучающего устройства.

Принцип действия бесконтактного оптического выключателя демонстрирует рис. 2.1.11.

Рис.2.1.11. Принцип действия бесконтактного оптического выключателя

Зона чувствительности – зона, в пределах которой может быть установлено расстояние срабатывания. Она ограничивается максимальным и минимальным расстоянием срабатывания.

Минимальное расстояние срабатывания это нижний предел зоны чувствительности бесконтактного оптического выключателя.

Максимальное расстояние срабатывания – верхний предел зоны чувствительности бесконтактного оптического выключателя.

Слепой зоной называется зона от активной поверхности выключателя до минимального расстояния срабатывания. В слепой зоне объект воздействия не обнаруживается.

Датчики серии ВБЕ (выключатели бесконтактные емкостные) могут применятся для счета или контроля положения не только металлических объектов, но и объектов, изготовленных из диэлектрических материалов. Кроме того они часто используются для контроля предельного уровня сыпучих и жидких материалов в резервуарах.

Емкостные датчики ВБЕ (рис. 2.1.12) имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора. Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.

Рис. 2.1.12. Бесконтактный емкостный выключатель

Индуктивные бecкoнтaктныe выключaтeли являются одними из самых распространенных устройств в составе оборудования систем управления автоматизированным производством. Это объясняется высокими эксплуатационными характеристиками, надежностью и низкой стоимостью индуктивных датчиков по сравнению с другими типами датчиков. Они находят широкое применение в машиностроении, пищевой, текстильной и других отраслях, наиболее эффективно используются в качестве конечных выключателей в автоматических линиях и станках, так как срабатывают только на металлы и не чувствительны к остальным материалам. Это увеличивает защищенность индуктивных датчиков от таких помех, как введение в зону чувствительности выключателя рук оператора, эмульсии, воды, смазки и т.п. и не приведет к ложному срабатыванию.

Структура индуктивного датчика приведена на рисунке 2.1.13.

Рис.2.1.13. Устройство индуктивных датчиков

Индуктивный бесконтактный выключaтeль работает следующим образом. Генератор создает электромагнитное поле взаимодействия с объектом. Триггер обеспечивает гистерезис при переключении и необходимую длительность фронтов сигнала управления. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала до необходимого значения. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивая контроль работоспособности и оперативность настройки. Корпус защищает выключатель от механических воздействий, выполняется из латуни или полиамида. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

В основе принципа действия индуктивного датчика лежит воздействие металлического объекта на высокочастотный автогенератор (рис. 2.1.14). Расположенная на ферритовом сердечнике катушка колебательного контура формирует в зоне активной поверхности датчика высокочастотное электромагнитное поле.

Рис.2.1.14. Принцип работы индуктивных выключателей

Внесение в это поле металлического (электропроводящего) объекта вызывает энергетические потери в автогенераторе из-за возникающих в объекте вихревых токов. Величина этих потерь пропорциональна расстоянию между металлическим объектом и датчиком.

Индуктивные бесконтактные выключатели (ВБИ) выпускаются в латунных никелированных или пластмассовых корпусах различной формы с расстоянием срабатывания от 1 до 150 мм.

Энкодеры

Энкодер (преобразователь угловых перемещений) – это устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота. Энкодеры могут быть оптическими, резисторными или магнитными. По общему принципу работы выделяют инкрементальные и абсолютные энкодеры.

Инкрементальный энкодер относится к классу импульсных датчиков. При вращении объекта на его выходах появляются импульсы. Их количество пропорционально углу, на который повернулся объект. Синонимы – импульсный и инкрементный энкодер. Инкрементальные энкодеры чаще всего применяются в станкостроении, в качестве угловых датчиков, осуществляющих высокоточную регистрацию углового перемещения вала, а так же в автоматических системах в цепях обратной связи в качестве импульсного датчика скорости вращения вала.

Абсолютный энкодер относится к классу абсолютных датчиков положения. На его выходах появляется цифровой код, определяющий текущее положение объекта (текущее значение угла).

Как правило, оптическая схема и электронная обработка сигналов в абсолютных энкодерах сложнее, чем, например, в инкрементальных энкодерах. Однако абсолютные энкодеры выдают код положенния (текущее значение угла), а это свойство часто является обязательным для работы системы.

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, 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. В отличие от инкрементного энкодера абсолютному энкодеру счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен.

Рис. 2.1.15. Абсолютный энкодер

Абсолютный энкодер (рис. 2.15) формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера в отличие от диска пошагового имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

А бсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Его сигнал 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.

О

Рис. 2.1.16. Оптический энкодер

птические энкодеры (рис. 2.1.16) имеют жёстко закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, которая преобразовывается 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.

М еханические (рис. 2.1.17) 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.

Рис. 2.1.17. Механический энкодер

Цифровые датчики положения

Измерительную информацию, получаемую в аналоговом виде, часто можно обрабатывать с помощью цифровых схем, что создает дополнительные удобства. Это становиться возможным при использовании аналогово-цифровых преобразователей. В случае перемещений можно создать датчик, измеряющий положение линейное или угловое и выдающий его сразу в цифровой форме. Как и во всех приборах с цифровым преобразованием, информация оказывается квантованной и, следовательно, разрешение всегда конечно. Такие датчики могут надежно передавать информацию об измеряемом положении по последовательному интерфейсу на достаточно большие расстояния от нескольких датчиков по одной линии связи.

Абсолютные цифровые датчики это рейки для линейных перемещений или диски для угловых перемещений, разделенные на N равновеликих площадок (полос в случае рейки, секторов в случае диска), на которых записаны бинарные слова, соответствующие определенному положению. Поэтому при сбоях в работе, включении, прерывании питающих напряжений или предельной частоты работы прибора в распоряжении пользователя имеется точная позиция положения как двоичного бита. Чаще всего используют помехозащищенную двоичную Грей-кодировку, при которой за каждый шаг измерения изменяется лишь один знак кодовой информации и при этом легко контролируются ошибки передачи сигнала. Распространено также двоичное и двоично-десятичное кодирование. Имеются датчики с механическим и бесконтактным съемом информации.

Инкрементальные цифровые датчики отображают измеряемое положение количеством импульсов, которые затем подсчитываются микропроцессором с учетом направления перемещения по сдвигу фаз между двумя каналами. При использовании специальных микросхем можно удвоить или даже учетверить разрешающую способность. Такие датчики требуют время от времени калибровки по нулевому отсчету и при сбоях. Имеются датчики с механическим и бесконтактным съемом информации.

 Механические цифровые (абсолютные или инкрементальные) датчики характеризуются низкой стоимостью, невысокой разрешающей способностью (до 200 делений на 360^о), небольшая продолжительность эксплуатации (до 106 циклов поворота у лучших образцов), ограниченная частота вращения, выходные сигналы должны быть пропущены через подавители дребезга.

Бесконтактные цифровые (абсолютные или инкрементальные) датчики на основе оптоэлектроники или магниторезистивного эффекта менее всех подвержены дестабилизирующим факторам окружающей среды, имеют очень большую долговечность, очень высокую точность (до 104 делений на 360^о для абсолютных и 128000 для инкрементальных) и относительно высокую стоимость. Их применение оправдывается там, где нужны точность и надежность.