РОЗДІЛ 4. СЕНСОРИ Й АПАРАТНІ КОМПОНЕНТИ СИСТЕМ МЕХАТРОНИКИ
Механотронные й робототехнические системи є складними об'єктами керування, регулювання й контролю, зокрема, через необхідність контролювати численні параметри, у більшості неелектричних фізичних величин (переміщення, швидкість, температура, тиск і т.д.). Як відомо, найбільш зручною інтерпретацією більшості таких параметрів є електричні сигнали (струм, напруга, опір, індуктивність, ємність і т.д.).
Електричні сигнали мають важливі властивості, високої швидкості передачі, дистанционности й можливості подальшої обробки й становлять важливу частину автоматизованої системи. Тому важливим зв'язком між керуючою системою й керованим об'єктом є електричні й електронні датчики або сенсори.
Зазначені прилади займають особливе місце у великому й складному комплексі засобів і методів для забезпечення роботи автоматизованому виробничої системи. Від їх правильного й своєчасного спрацьовування може залежати не тільки продуктивність всієї системи, але й безпека її роботи. На мал. 4.1 представлена структурна схема обробки сигналу сенсора в мікропроцесорі.
Вхідний неелектричний вплив А впливає на чутливий елемент сенсора й викликає зміна його параметрів (опору, ємності, індуктивності й т.д.). Така зміна сприймається спеціальною електронною схемою, у яку входять підсилювач сигналу, фільтр і перетворювач, наприклад, аналого-цифровий перетворювач, що дозволяє представити сигнал у дискретному цифровому виді. Далі, сигнал у вигляді комбінації цифр направляється в мікропроцесор для ідентифікації й подальшої обробки.
В умовах досить високої продуктивності й інтенсивності роботи складної автоматизованої системи вирішального значення набувають такі властивості сенсорів як швидкодія, мала инерционность і чутливість до зміни контрольованих або регульованих параметрів керованого об'єкта. Визначальної також представляється правильний вибір тої або іншої конструкції сенсора, которая повинна враховувати особливості роботи як окремого модуля, так і системи в цілому.
4.1. Датчик, сенсор, перетворювач сигналів
Сенсоризация виробничої діяльності, тобто, заміна органів почуттів людини на сенсори, повинна розглядатися в якості третьої промислової революції слідом за першими двома - машинно-енергетичною й інформаційно-комп'ютерною. Потреба в сенсорах стрімко росте у зв'язку з бурхливим розвитком автоматизованих систем контролю й керування, впровадженням нових технологічних процесів, переходом до гнучких автоматизованих виробництв.
Датчик - це функціональний модуль, кількісно або якісно визначальну вхідну величину параметра й перетворюючий його у вихідний електричний сигнал. Як правило, датчик містить у собі чутливий елемент, безпосередньо взаємодіючий з контрольованою величиною, схему обробки й перетворення сигналу, що забезпечує на виході адекватний електричний сигнал в аналоговій або цифровій формі.
У сучасній літературі також широко застосовується поняття первинного перетворювача сигналів, що містить у собі стадію первинної ідентифікації вимірюваної фізичної величини й перетворення її в електронному виді.
Останнім часом широко використовується термін «сенсор» (від англійського слова "to sense" - почувати, відчувати), що досить повно відбиває особливості роботи датчиків. На наш погляд, це поняття цілком адекватно виражає сутність процесу виміру й перетворення сигналів і може застосовуватися в справжній книзі.
Перетворювач сигналів - це прилад, функціональна схема якого дозволяє змінити вид або величину сигналу за допомогою спеціальних електричних або електронних засобів. Наприклад, величину тиску можна перетворити в ступінь прогину чутливої мембрани сенсора, а температуру - у зміну вихідного струму терморезистора й т.д. Перетворювач сигналів служить складовою частиною комплексу обробки й перетворення інформації в автоматизованій системі.
Таким чином, сенсор можна представити як багатофункціональний модуль, що включає в себе чутливий елемент, що вимірює якийсь параметр, схему перетворення отриманого сигналу й перетворення його в електронному виді.
4.2. Электроконтактные сенсори
4.2.1. Магнито-управлнемые сенсори (герконы)
Залежно від специфіки завдань керування, регулювання й контролю, а також від конструктивних вимог для установки на автоматизованих лініях або механотронных об'єктах можуть застосовуватися сенсори різної форми, габаритів і принципу дії. Одним із широко розповсюджених типів сенсорів для перетворений сигналу переміщення робочого органа в електричний сигнал є электроконтактные сенсори, зокрема, дистанційно керовані магнітні пелюсткові контакти, ув'язнені, у герметичній посудині, називані «герконами» (герметичними контактами).
Укладені в запаяну посудину контакти не піддані окислюванню або забрудненню, крім того, для забезпечення кращого контакту їх поверхноет покриваються шаром срібла, золота, родію й т.д.
На мал. 4.2 представлені конструкції герконов з пелюстковими контактами (а, б, в) і кульковим контактом (г). Принцип дії геркона полягає в тім, що розташований, наприклад, на поршні гідравлічного або пневматичного циліндра постійний магніт при підході поршня до контактів замикає або перемикає їх, створюючи електричний сигнал керування для механотронной системи.
На мал. 4.3 наведені конструкції герконов виробництва компанії ALEPH [5], які застосовуються в машинобудуванні й деревообробній промисловості, а на мал. 4.4 представлені магніто-контактні, пристрою для компактних і короткоходовых циліндрів типу ADVU компанії Festo [3].
У номенклатурі компанії ALEPH представлені герконы різного застосування: накладні або урізні на дерев'яні й металеві двері, із запресованими проводами або затискачем під гвинт, різним максимальним зазором між контактами.
Основні переваги герконов полягають у герметичності, що дозволяє застосовувати їх в екстремальних умовах корозійної небезпеки запыленности, пожаро-вибухонебезпечності й т.буд. Крім того, важливе місце займають простота конструкції, мала маса й габарити, висока швидкодія, відсутність тертьових деталей, а також надійність роботи в широкому діапазоні температур.
Недоліки герконов містять у собі порівняно низьку чутливість по магнітному полю керування, сприйнятливість до зовнішніх магнітних полів, крихкість конструкції й малу потужність ланцюгів, що комутируються. У цілому ж герконы являють собою досить більшу групу конструкцій, широко застосовуваних у механотронных комплексах і лініях.
Однієї з різновидів електричних контактів є відкриті електричні контакти. Виконувані із благородних металів (срібла, золота, платины, палладія) і їхніх сплавів (вольфраму, платино-іридію й т.буд.) контакти піддаються так званим струмам приварювання при коротких замиканнях. Це, у свою чергу, може привести до відмов системи керування. У цей час відкриті контакти зустрічаються усе рідше через свою уразливість із погляду впливу навколишнього середовища, швидкого механічного й електричного зношування.