145

_______________________________________________________________________

Лекція 11

Тема: Сенсорика.

1. Аналогові сенсори:

   • сенсори положення, кута, віддалі та товщини;

   • давачі швидкості;

   • сенсори розтягу, сили, обертового моменту i тиску;

   • сенсори прискорення;

   • сенсори температури.

2. Бінарні сенсори.

3. Цифрові сенсори. Iнкрементальні сенсори положення.

4. Кодові лінійки і диски абсолютних сенсорів.

У системах керування, регулювання, нагляду і гарантії використовуються різного виду сенсори (давачі), які інформують про роботу і стан машин та обладнань, що реалізують відповідний процес. В залежності від виду вихідних сигналів, сенсори поділяються на аналогові, бінарні та цифрові.

Аналогові сeнсори

З

Рис.11.1. Поступальний потенціометр

а допомогою аналогових сенсорів перетворюють механічні величини, наприклад, зміну положення, або електричні величини, наприклад, зміну потужності, на електричні сигнали напруги або струму.

У випадку спостереження, сенсори можуть використовуватись як вимірювальні перетворювачі.

П

Рис.11.2. Обертальний потенціометр

Рис.11.3. Потенціометр як

подільник напруги

ід спостереженням розуміється встановлення зв’язку між вимірювальною величиною і показом. Сигнали з вимірювального перетворювача можуть бути представлені у фізичних величинах, наприклад, у випадку перетворювача положення в мм.

Сенсори положення, кута, віддалі та товщини

Потенціометричні контактні сенсори

При пересуванні ковзного контакту в поступальному потенціометрі або повороту контакту в обертальному потенціометрі змінюється його опір (рис. 11.1) і (рис. 11.2). Використовуючи потенціометр як подільник напруги отримуємо сигнал напруги U_x, який залежить від поступального або кутового переміщення контакту (рис. 11.3). Коли потенціометр ненавантажений або мало навантажений (R_L >> R), наприклад, під час під’єднання до нього цифрового вольтметра або вимірювального підсилювача, вихідний сигнал напруги пропорціональний поступальному або кутовому переміщенню контакту. При струмовому навантаженні залежність між переміщенням і вихідним сигналом нелінійна.

У вимірювальних потенціометрах шар опору виконаний з провідної синтетики, яка стійка до стирання – дозволяє виконати до 10⁸ ковзань. Контакти виконуються з дорогоцінних металів в багатопальцевому вигляді, з еластичними амортизаторами коливань. Нелінійність типового потенціометра не перевищує 1 %. Довжина відомих поступальних потенціометрів є у межах від 10 мм до 2 м. Обертальні вимірювальні потенціометри мають діапазон вимірювання від 0° до 360°.

Поступальні потенціометри застосовуються як перетворювачі, наприклад, для вимірювань положення частин машин. Обертальні потенціометри застосовую

Рис.11.4. Магніторезисторний

потенціометр

ться для вимірювань кута повороту, наприклад, для вимірювання кутового положення суглобів в промисловому роботі.

Бeзконтактні потенціометричні сенсори

В

Рис.11.5.Структура, схема

сполучень і характеристика

магніторезисторного оберталь­ного

сенсора

безконтактних потенціометрах елементом опору є диференціальний магніторезистор (рис.11.4). Магніторезистори – це малі напівпровідникові елементи, опір яких збільшується при збільшені напруженості магнітного поля. В поступальних та обертальних перетворювачах застосовуються два магніторезистори, на які діє постійний магніт (рис. 11.5).

У випадку наближення керувального магніту, збільшується напруженість магнітного поля в околі магніторезистора R1, тоді як напруженість магнітного поля в околі магніторезистора R2 зменшується. Завдяки цьому опір R1 збільшується, а опір R2 зменшується (рис. 11.5). Відповідно до співвідношення опорів змінюється вихідний сигнал сенсора. Ця безконтактна зміна опору уможливлює безконтактну будову сенсора. Похибку зумовлює тільки опір тертя в опорах. Помилка на лінійній ділянці характеристики становить біля 2 %.

Обертальні магніторезисторні потенціометри використовуються для вимірювання коливань, для контролю положення підшипників, як давачі положення у відповідальних системах керування в педалях гальм та руху транспортних електричних засобів.

П

Рис.11.6. Індуктивний сенсор

положення зі схемою перетворення

оступальні магніторезисторні потенціометри використовуються для вимірювання малих переміщень, наприклад, в захоплювачах роботів, а також як давачі початкового положення частин машин.

Індуктивні сенсори положення з феритовим осердям

В індуктивних сенсорах положення чутливим елементом є диференціальна обмотка на залізному осерді (рис. 11.6). Коли залізне осердя знаходиться посередині сенсора, опір обидвох частин обмотки однаковий. Якщо осердя пересувається вліво, збільшується індукція лівої половини обмотки і зменшується правої. Одночасно з цими змінами відповідно змінюються імпеданси в обидвох частинах обмотки.

Визначення змін імпедансів відбувається за допомогою вимірювального мостика змінного струму (рис. 11.6). Він складається з напівмостика опорів, який доповнений імпедансами до повного моста, генератора змінного струму частотою 5 кГц, який живить мостик, системи врівноваження модуля і фази для виставлення нуля, підсилювача та демодулятора-випростувача.

Під час пересування залізного осердя рівновага мостика порушується, при цьому виникає поперечна напруга U_x~. Щоб визначити зміну положення на підставі зміни напруги U_x~, необхідна демодуляція сигналу через випрямлення. З цією метою вивертається фаза кожної парної півхвилі генерованої напруги (рис. 11.7).

Індуктивні сенсори виконуються як стержневі або штовхальні для переміщень від 1 мм і до 1 м. У штовхальній версії стержень підпирається пружиною. Роздільна здатність вихідного сигналу становить біля 0,1 %, тобто при номінальному діапазоні переміщення 10 мм ще може бути розпізнана зміна положення порядку 10 мкм. Лінійність становить біля 1 %, тобто при номінальному діапазоні переміщень 10 мм похибка становить біля 100 мкм.

Індуктивні сенсори положення застосовуються для вимірювання товщини деталей, як перет

Рис.11.7. Демодуляція через

випрямлення

ворювачі переміщення машинних столів, в захоплювачах роботів для вимірювання переміщення хапальних кінцівок, для вимірювання коливань в дослідницьких системах тощо.

Індуктивні сенсори положення

П

Рис.11.8. Безконтактний індуктивний

сенсор положення

ринцип дії цих сенсорів базується на зміні індуктивності котушки при наближенні до феромагнітного предмету, наприклад, стального (рис.11.8). Друга котушка з стальною пластинкою, яка служить для настроювання і яка розміщена всередині сенсора, уможливлює вимірювання з використанням мостика змінного струму. Залежність між вихідним сигналом сенсора і положенням контрольованого предмету лінійна тільки для дуже малих змін положення і залежить від феромагнітних властивостей і вигляду предмету, який наближається. Ця залежність визначається експериментально. Називається ця дія калібруванням. Вимірювані віддалі – до 1 мм. Безконтактні індуктивні сенсори положення використовуються для вимірювання переміщень рухомих предметів, наприклад, крен веретена токарного верстата при навантаженні або для вимірювання зварювальних щілин та положення краю бляхи при зварюванні за допомогою роботів.

Сенсор зміни власної індуктивності (FLDT, англ. Fast Linear Displacement Transducer = швидкий лінійний перетворювач переміщень) складається з циліндричної котушки з феритовим екраном, вбудованої у втулку з благородної сталі (рис. 11.9). В котушку входить рухома алюмінієва трубка з товщиною стінок біля 1 мм. Котушка живиться змінним струмом частотою біля 100 кГц. Створюване високочастотне магнітне поле наводить в зовнішньому шарі алюмінійової трубки вихрові струми, які згідно з правилом Ленца, нейтралізують магнітне поле в частині зануреної в сенсор

Рис.11.9. Сенсор зміни власної

індуктивності

трубки. В результаті цього індуктивність котушки залежить від довжини тієї частини трубки, в якій ще є магнітне поле. Отже переміщення алюмінієвого осердя впливає на зміну індуктивного опору.

Сенсор зміни взаємної індуктивності – трансформаторний

(

Рис.11.10. Трансформаторний сенсор

LVDT, англ. Linear Variable Differential Transformer = лінійно змінний диференційний трансформатор) є диференційним трансформатором. Оснащений рухомим феромагнітним осердям та двома вторинними обмотками (рис. 11.10). Принцип вимірювання полягає в зміні магнітної взаємодії між первинною і вторинною обмотками.

В дуже спрощеній вимірювальній системі (рис. 11.11) кожна з вихідних напруг випрямляється в одному з двох протилежних мостикових систем. Результуючі струми І₂₁ i І₂₂ протікають через вимірювач струму А, який – у випадку однакових вихідних напруг – показує нульове значення. При пересуванні осердя ці струми приймають різні значення. Показ вимірювача струму відповідає величині переміщення осердя, знак - напрямку переміщення.

Т

Рис.11.11. Диференціальний

трансформатор зі спрощеною

схемою вимірювання

рансформаторні сенсори оснащені електронними системами, які виробляють змінну напругу живлення частотою біля 20 кГц, а також системами демодуляції, фільтрування та підсилення сигналу на виході трансформаторних обмоток. Ці сенсори можуть живитися також постійною напругою. Трансформаторні сенсори звичайно оснащені інтегрованою електронікою i можуть живитися постійною напругою.