Лекция №6 Методы измерения линейных и угловых перемещений. Датчики скорости (частоты вращения), положения. Датчики линейных перемещений

Рассмотрим, что такое линейное перемещение.

Понятие перемещения относится к двум и более телам, определить перемещение одного тела, не рассматривая при этом другого, невозможно. Всегда надо рассматривать систему тел. Тело, от которого непосредственно производится измерение перемещения, называется телом отсчета, и считается неподвижным. Можно определять точку отсчета в какой-то нулевой момент, после которого и надо измерить перемещение. Таким образом, перемещение можно определить как, расстояние на котором оказалось данное тело относительно тела или точки отсчета через определенное время. Тело может двигаться в разных направлениях от тела отсчета и по разной траектории. Линейное перемещение – это длина прямой от начальной, до конечной точки перемещения. Траектория движения может быть любой.

Часто в течение какого-то технологического процесса необходимо точно измерить перемещение объекта, его смещение. Для автоматизации этих измерений удобно использовать датчики, которые преобразуют линейное перемещение на входе, в электрическую величину на выходе.

Обзор методов измерения

Классификация датчиков по методу

Датчики линейных перемещений можно классифицировать по методу преобразования входной величины в выходную. Основными типами датчиков являются:

- резистивные;

- индуктивные;

- емкостные;

Резистивные чувствительные элементы

Датчики перемещения реостатного типа представляют собой регулируемые омические сопротивления специальных исполнений. В отличие от обычных регулировочных реостатов к датчикам предъявляется требование — наличие определенной, однозначной зависимости между величиной сопротивления и перемещением.

Сопротивление проводника можно определить по следующей формуле:

R=ρl/S (1)

где ρ – удельное сопротивление материала проводника;

l – длина проводника;

S – площадь поперечного сечения проводника.

Из формулы (1) следует, что для изменения сопротивления надо изменить площадь или длину проводника. Легче всего изменять длину. Простейшим способом изменения сопротивления резистора за счет изменения длины проводника, является, перемещение отвода (скользящего контакта). Реостатные датчики (потенциометры) выполняются с продольным или круговым перемещением. При приложении к ползунку усилия или крутящего момента его продольное или угловое перемещение преобразуется в изменение сопротивления и далее в изменение снимаемого с реостата напряжения или проте¬кающего тока. Так как длина проводника стоит в числителе, то зависимость сопротивления будет подчиняться линейному закону. Выходная величина, напряжение на резисторе, тоже будет изменяться линейно.

Часто применяют измерительные потенциометры, изме¬нение сопротивления которых связано нелинейной зависимостью с перемещением ползунка. Эти функциональные потенциометры могут иметь квадратичную, синусоидальную или другую, отвечающую специальным требованиям, характеристику.

Для обеспечения минимальной обратной реакции необходимые для перемещения ползунка силы или моменты должны быть минимальны, что успешно достигается в прецизионных потенциометрах. Существуют конструкции реостатных датчиков, в которых момент, необходимый для перемещения ползунка, равен 4 мН-см, что позволяет в большинстве случаев пренебречь обратной реакцией.

Большое значение имеет разрешающая способность чувствительного элемента, определяемая изменением сопротивления между двумя соседними витками обмотки.

Погрешность реостатных датчиков определяются:

-ступенчатостью изменения сопротивления;

-изменением сопротивления от температуры;

-изменением свойств материала; это явление заметно в полупроводниковых датчиках, где погрешность может достигать 1—2%;

-отклонением фактической характеристики от расчетной. Нелинейность характеристики лежит в пределах 0,1—3%. При специальной намотке она может быть снижена до 0,01%.

В датчиках с ртутным контактом имеет место дополнительная погрешность 0,5—1% за счет явления поверхностного натяжения.

Преимуществами реостатных датчиков является: простота конструкции, дешевизна, большая чувствительность и выходная мощность, малые погрешности нелинейности; высокое разрешение; применимость в вычислительных устройствах.

Недостатки: небольшой срок службы и малая надежность, связанные с истиранием скользящего контакта, значительное измерительное усилие.

Характеристики реостатных датчиков

-входная величина: линейное или угловое перемещение.

-выходная величина: изменение сопротивления.

-диапазон измерения: линейный до 60 мм, угловой до 355°;

-погрешность от нелинейности характеристики; 0,1—0,3 %.

-динамические характеристики (частотный диапазон): зависят от параметров механических преобразователей, включенных перед потенциометром; при линейных и угловых измерениях до 5 и до 1000 Гц соответственно.