19.1. Датчики положения и перемещения

Рассмотрим специфику наиболее часто используемых в мехатронике датчиков. Невозможно представить область, где бы не применялись датчики положения и перемещения, являясь важным связующим звеном между электронной и механической частями мехатронных устройств.

Выбирая датчик, прежде всего необходимо правильно опреде­лить приоритеты по следующим критериям: чувствительность, раз­решающая способность и точность, линейность, скорость измеряе­мого процесса, условия применения и класс защиты, надежность, габаритные размеры, стоимость.

Необходимо учитывать, что датчик может определять абсо­лютное или относительное положение контролируемого объекта. Исходя из этого, существует два основных метода определения по­ложения и измерения перемещений. При первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отображают перемещение. Такие датчики положения назы­вают абсолютными. К ним относят:

• резистивные (потенциометрические) датчики;

• индуктивные датчики с подвижным сердечником;

• емкостные датчики с подвижными обкладками;

• цифровые кодовые датчики абсолютных значений.

При втором методе датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяют под­счетом суммы импульсов в зависимости от направления перемеще­ния. Такие датчики положения называют относительными. К ним относят фотоэлектрические (оптоэлектронные) импульсные датчи­ки положения. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, являются их простота и низкая стоимость, а недос­татком - необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.

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

Датчики должны иметь конструкцию, позволяющую разме­щать их в мехатронных модулях движения в местах с ограничен­ным для установки оборудования объемом; обладать помехоустой­чивостью, т.е. возможностью эксплуатации в условиях электромаг­нитных помех, колебаний напряжения и частоты сети, а также ус­тойчивостью к механическим воздействиям (ударам, вибрациям) и к изменениям параметров окружающей среды (температуры, влаж­ности и т.п.).

К наиболее простым датчикам положения, работающим по принципу «включено - выключено» относят предельные выключа­тели, микропереключатели, бесконтактные переключатели, фоторе­ле, герконы, путевые датчики сигналов. С их помощью возможно осуществлять контроль пути, пройденного выходным звеном мехатронного модуля движения.

По виду выходного сигнала более сложные датчики делят на аналоговые и цифровые. Развитие цифровых мехатронных систем вызвало потребность в разработке цифровых датчиков, а также уст­ройств сопряжения аналоговых датчиков с цифровыми устройства­ми. Несмотря на общеизвестные достоинства цифровых датчиков (простое сопряжение с устройствами цифровой обработки сигна­лов, высокая точность, необходимость только одного маломощного источника питания постоянного тока) применение их ограничено.

Поэтому до настоящего времени электромеханические аналоговые датчики не утратили возможности своего применения в цифровых мехатронных системах. Это связано с высокой степенью отрабо­танности основных конструктивных элементов и узлов аналоговых датчиков и их высокими эксплуатационными достоинствами (вы­сокая точность, надежность в работе, малые масса и габариты), а также с развитием техники аналого — цифрового и аналого — час­тотного преобразования, проявившимся в разработке миниатюрных и высокочастотных микроэлектронных АЦП и АЧП. К тому же вы­сокочастотные аналоговые датчики электромашинного тока со вто­ричными преобразователями сопоставимы, а в ряде случаев, и де­шевле цифровых датчиков.