3.5.5. Дифференциальное включение датчиков

У лучшить метрологические характеристики датчиков позволяет использование дифференциальной схемы включения, которую рассмотрим на примере индуктивного дифференциально-трансформаторного датчика перемещений (рис. 3.12). Такой датчик состоит из двух близких по характеристикам одиночных датчиков, расположенных таким образом, что приближение якоря к магнитопроводу одного датчика вызывает удаление его от магнитопровода другого датчика. Вторичные обмотки обоих датчиков включены последовательно встречно. В исходном состоянии якорь находится на одинаковом расстоянии от обоих магнитопроводов, ЭДС вторичных обмоток обоих датчиков одинаковы

e₂`=e₂``= e₀,

и выходное напряжение U_вых=0.

При перемещении якоря под воздействием измеряемой величины ЭДС на выходе одного датчика возрастает на величину Δе_и, а другого на такую же величину падает. При встречном включении вторичных обмоток приращения ЭДС складываются, поэтому

U_вых= е₀+Δе_и-(е₀-Δе_и) = 2Δе_и.

Поскольку ЭДС левой и правой вторичных обмоток находятся в противофазе, фаза выходного напряжения U_вых будет зависеть от того, в какую сторону отклонится якорь от нейтрального положения. Таким образом, абсолютная величина и фаза выходного напряжения будет определяться величиной и направлением перемещения якоря под действием измеряемой величины.

Дифференциальная конструкция обладает следующими преимуществами:

1. удвоение выходного напряжения (это следует из последней формулы);

2. компенсация дополнительных погрешностей (например, температурной Δе_Д): U_вых= е₀+Δе_и+Δе_Д -(е₀-Δе_и+Δе_Д) = 2Δе_и.

3. расширение линейного участка характеристики преобразования;

4. компенсация ненулевого начального сигнала на выходе датчика.

5. Дифференциальная конструкция позволяет сделать тонкой, а, следовательно, и лёгкой, подвижную часть магнитопровода; поперечное сечение магнитопровода делают таким, чтобы не было насыщения ферромагнетика, а разность (Ф₁ – Ф₂) при малых Δδ существенно меньше Ф₁ и Ф₂.

6. в одиночном датчике подвижная часть магнитопровода притягивается к неподвижной, что в данном случае является вредным эффектом, но в дифференциальной конструкции сила притяжения к первой и второй неподвижным частям магнитопровода компенсируются.

Эти (первые 4) преимущества характерны для дифференциальных конструкций датчиков всех видов (тензорезистивных, емкостных, оптических и т. д.) независимо от используемого принципа преобразования измеряемой величины в выходной электрический сигнал [13].

3.5.6. Оптические датчики

В основу принципа действия оптических датчиков положена зависимость параметров потока оптического излучения от значения измеряемой величины. Оптический датчик состоит из источника излучения, оптического канала и приемника излучения (рис. 3.13). Измеряемая величина может воздействовать непосредственно на источник излучения и модулировать тот или иной параметр излучаемого им потока Ф₁, либо, воздействуя на оптический канал, модулировать соответствующий параметр потока Ф₁, преобразуя его в поток Ф₂. Выходная величина Y формируется в результате воздействия потока Ф₂ на приемник излучения.

Источники излучения можно разделить на тепловые и люминесцентные. К тепловым источникам можно отнести, например, лампу накаливания, костер, Солнце и звезды, теплокровных животных, а к люминесцентным – светодиоды, лазеры, светлячков и светящиеся микроорганизмы в морской воде, неоновые лампочки, газоразрядные трубки, используемые для рекламы, светящиеся в темноте циферблаты часов и других приборов.

Оптическое излучение характеризуется интенсивностью (мощностью потока), монохроматичностью, когерентностью, степенью поляризации.

Монохроматичным называется излучение, все колебания волн которого имеют одну и ту же длину волны λ. Степень монохроматичности излучения характеризуется шириной его частотного спектра Δν. Наиболее близко к идеальному монохроматическому излучение лазера, для которых Δν≈10³ Гц.

Когерентными называются колебания, разность фаз между которыми постоянна. Когерентность излучения связана с его монохроматичностью (когерентным может быть только монохроматическое излучение.

Поляризация света характеризуется способностью электрического вектора Е всех волн излучения сохранять свою ориентацию в пространстве. Поляризованным называется свет, колебания вектора Е которого фиксированы строго в одной плоскости [10].

В оптических датчиках в качестве источника излучения наиболее часто применяются светодиоды и лазеры, иногда лампочки накаливания. При этом светодиоды и лампочки накаливания применяются в датчиках со сравнительно небольшой частотой модуляции светового потока (от единиц Герц до нескольких килогерц). Лазеры допускают гораздо более высокую частоту модуляции потока и, следовательно, позволяют передавать и принимать измерительную информацию с большей скоростью [13].

Лазер - источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Важными свойствами лазерного луча являются большая мощность и высокая направленность излучения, монохроматичность, когерентность и поляризация. Эти свойства обусловили широкое распространение лазеров в качестве источников излучения в оптических датчиках, а также для передачи информации в МС по оптическим линиям связи.

Основными характеристиками лазера являются мощность излучения Р_ИЗЛ, длина волны λ, ширина спектральной линии Δλ, угол расхождения луча.

Наибольшее распространение получили три типа лазеров: газовые, твердотельные и полупроводниковые.

Среди лазеров видимого и инфракрасного диапазонов полупроводниковые лазеры занимают особое положение по ряду своих характеристик. Размеры полупроводникового лазера могут быть сделаны очень малыми — порядка долей миллиметра. В полупроводниковых лазерах активным веществом обычно является арсенид галлия, арсенид индия, кремний с примесью индия. Основными преимуществами полупроводниковых лазеров являются малые габариты, высокий к.п.д., удобство возбуждения, высокое быстродействие, технологическая совместимость с элементами оптических интегральных схем.

Общим недостатком всех полупроводниковых лазеров является сравнительно невысокая направленность излучения, связанная с их малыми размерами, и трудность получения высокой монохроматичности.

В качестве приемников оптического излучения наиболее часто используются фотодиоды. Применяются также фоторезисторы, фототранзисторы, фототиристоры. Выходной сигнал фотоприемника определяется не только интенсивностью падающего на них излучения, но и его спектральным составом. Основными характеристиками фотоприемников являются световая, спектральная, статическая вольтамперная и частотная [13]. (лазерный дальномер) (сканер пространственный строительный) (лазерный триангуляционный датчик расстояния) (лазерный интерферометр) Датчик на основе эффекта растра

Простейшим и самым распространенным оптическим датчиком является оптопара: светодиод, подвижная непрозрачная заслонка и фотодиод. Заслонка механически связана с подвижным звеном МС, положение которого нужно контролировать. Такой датчик может работать в дискретном режиме (открыто-закрыто) и в аналоговом (степень освещенности фотоприемника определяется положением заслонки). Конструктивно объединенные в одном корпусе и согла

сованные по спектральным характеристикам источник и приемник (чаще всего это светодиод и фотодиод) называют оптроном. Оптрон может быть открытым (оптический канал может перекрываться подвижной заслонкой) и закрытым (в этом случае между источником и приемником излучения существует постоянная связь через оптическую среду (стекло, прозрачная пластмасса), а измеряемая величина воздействует на источник излучения (вход Х₁ на рис. 3.13).

Упрощенный пример использования оптического датчика в технологическом процессе, показан на рис. 3.14. Источник света 1 создает с помощью линзы-конденсора 2 пучок параллельных лучей, в котором располагается исследуемая деталь 3. Часть лучей задерживается деталью, а оставшиеся лучи фокусируются линзой 4 на фотоприемнике 5. Освещенность фотоприемника, а, следовательно, и величина его фототока будут определяться диаметром детали [ 14].

Применение оптических датчиков. На рис. 3.15 представлена схема фотоэлектрического датчика, который преобразует абсолютное значение угла поворота контролируемого вала в многоразрядный двоичный код. Кодирующий диск 1 (рис кодирующего диска) жестко закреплен на контролируемом валу 2. Диск 1 представляющий собой стеклянное основание, на котором фотоспособом нанесена кодовая маска, образованная несколькими (по количеству разрядов) концентрическими кодовыми дорожками с прозрачными и непрозрачными для света сегментами. Для построения кодовой маски наиболее часто используется двоичный код Грея, обеспечивающий надежность кодирования и простую схему считывания. Осветитель, состоящий из лампы 3 и конденсора 4, формирует световой поток, падающий на кодирующий диск 1. Луч света, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек диска и щелевую диафрагму 5, освещает фотоприемники 6, усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигналов с других фотоприемников, перекрытых непрозрачными сегментами кодовой маски, соответствует двоичным нулям. В результате каждому значению угла соответствует определенная комбин ация единиц и нулей, являющаяся цифровым кодом измеряемого угла.

Д остоинством фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений в код является высокая разрешающая способность, соответствующая 12-16 двоичным разрядам на один оборот вала, т. е. от 5` до 20`` [6].

Промышленные датчики

ЛАЗЕРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ  "HILTI"

Лазерные измерительные приборы "Hilti" применяются при любых разметочных операциях в строительстве. Достоинства лазерных измерительных приборов "Hilti": — высокоточные, компактные, неприхотливы к условиям стройки; — источником лазерного луча является диод AS/GA; — лазер класса 2 (IЕС825-1) мощностью менее 1 мВт абсолютно безопасен для глаз человека, но в то же время хорошо различим даже при ярком свете; — питание приборов от обычных батарей 1,5 В; — со всеми приборами может работать один человек, что значительно снижает трудозатраты. На все лазерные измерительные приборы "Hilti" предоставляется 1 год гарантии.

Лазерный дистанционный измеритель PD 28	Измерение расстояний в труднопроходимых местах без прямого доступа к объекту, расчет площади, объема, вертикальные измерения, горизонтальные измерения (встроенный пузырьковый уровень). Работает от двух обычных батарей типа АА (~ на 8000 измерений). Для работы с ним нужен всего один человек. Дальность измерения: от 10 см до 100 м. Точность: ± 2 мм на всей дистанции. Память на 1000 величин, возможность подключения к компьютеру для обработки данных. ЦЕНА (Euro): 811,00
Лазерный дистанционный измеритель PD 30	Быстрые и надежные измерения в пределах 200 м. Определение площадей, объемов и периметров одним нажатием кнопки. Откладывать нужные расстояния Легкий вес и "карманный" размер. Заряжается от электросети и автомобильного прикуривателя (как мобильный телефон). Большая дистанция измерения Опорная ножка для точных измерений из углов и труднодоступных мест. Технические характеристики: — точность измерения ± 1,5 мм; — диапазон измерения от 5 см до 70 м без мишени (с мишенью от 50 до 200 м); — время измерения < 0,5 сек; — память на 5 последних измерений; — 2 алкалиновые батареи на 15000 измерений (2 NiCd на 8000 измерений); — рабочая температура от -10 C до +50 C; — размеры (мм) 120 х 65 х 28; — вес 220 г. ЦЕНА (Euro): 443,00
Четырехлучевой лазерный нивелир PM 24	Предназначен для выравнивания конструкций по трем ортогональным плоскостям, откладывание отвеса и угла 90 градусов (выравнивание металлоконструкций, кладка плитки, инсталляция радиаторов, кондиционеров, разметка для вентиляции, проверка вертикальности и горизонтальности стен и оконных проемов, перенос отметок с пола на потолок). Технические характеристики: — точность разметки ±3 мм на 10 м; — время самовыравнивания менее 3 сек; — диапазон ±5 градусов от горизонтали самовыравнивания в обоих направлениях; — радиус работ до и свыше 30 м в зависимости от условий освещения; — 4 алкалиновые батареи типа АА (40 часов непрерывной работы) или 4 NiCad аккумулятора (10 часов непрерывной работы); — рабочая температура от -10 С до +45 C; — размеры (мм) 50 x 108 x 95. В комплект входят: металлический стенд, мишени, рамный фиксатор, настенный фиксатор, магнитный фиксатор, батареи, инструкция по эксплуатации. ЦЕНА (Euro): 664,00

Современная технология лазерного сканирования существенно повысила доступность пространственных моделей, позволяя выполнять подробнейшие съемки сложных сооружений значительно быстрее, чем традиционными методами. Ядро системы - сенсор, излучающий внутри некоторого пространства тысячи лазерных импульсов в секунду. Лазер сканирует помещение по вертикали и при этом вращается в горизонтальной плоскости, описывая полный круг. Дальномер определяет время распространения лазерного импульса до поверхности и вычисляет расстояние с миллиметровой точностью, а угловые датчики с высоким разрешением фиксируют значения азимута и угла наклона. В результате в реальном времени вычисляются полярные координаты каждой точки и записываются в полевой компьютер. При обработке измерений они преобразуются в пространственные прямоугольные координаты, по которым строится точная цифровая модель поверхности.

Л азерный сканер автоматически вращается и накапливает координаты окружающих объектов с исключительной скоростью и подробностью - свыше миллиона точек в течение 10 минут. Цена: 131000 USD 

Триангуляционные лазерные датчики Датчики предназначены для бесконтактного измерения и контроля положения, размеров, профиля поверхности, деформаций, вибраций, сортировки, распознавания технологических объектов; измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов.

П ринцип работы

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.