2.3. Датчики перемещений (дп)

2.3.1. Назначение и классификация дп

ДП предназначены для измерения перемещений и приближения (удаления) объектов к заданной точке пространства (определение расстояния до объектов).

Датчики перемещения классифицируются следующим образом:

1. По наличию механической связи с объектом:

   • Контактные;

   • Бесконтактные.

2. По виду выходного сигнала:

   • Аналоговые;

   • Импульсные;

   • Цифровые (шифраторы).

3. По типу измерительного преобразователя датчика различают следующие аналоговые ДП:

   • Потенциометрические (резисторные);

   • Индуктивные (дифференциально-индуктивные);

   • Магнитные (дифференциально-трансформаторные, сельсины, синус-косинусные вращающиеся трансформаторы, индуктосины);

   • Емкостные.

4. По типу чувствительного элемента датчика различают следующие цифровые ДП:

   • Щеточные (электроконтактные);

   • Оптические (фотоэлектрические);

   • Магнитные.

5. По методу измерения расстояний до объектов различают следующие локационные датчики (дальномеры):

   • Ультразвуковые;

   • Оптические (лазерные);

   • Радиоволновые и др.

Ниже рассматривается устройство и принцип действия различных аналоговых и цифровых ДП, наиболее часто применяемых в системах автоматики.

2.3.2. Потенциометрические дп

Эти датчики относятся к контактным, выполняются на базе проволочных потенциометров, которые преобразуют линейные или угловые перемещения в электрический сигнал – напряжение на выходе.

Проволочный потенциометр круговой или линейный (рис. 2.21) представляет собой каркас 1, на котором намотана проволочная спираль 2. Ось потенциометра связана со скользящим контактом (щеткой) 3 и соединяется с объектом, перемещение или х которого требуется измерить. Потенциометр подключается к источнику питания с напряжением U_п.

Рис. 2.21. Потенциометрические ДП: а – круговой; б – линейный; в – линейный со средней точкой с

Статические характеристики потенциометрических ДП являются линейными с ограничением, определяемым конструкцией потенциометра. Так для линейного ДП с длиной намотки спирали L (см. рис. 2.21, б ) выходной сигнал определяется выражением

при L ≥ х ≥ 0,

где k – коэффициент чувствительности датчика.

Датчик по схеме (см. рис. 2.21, в) позволяет определять не только величину, но и направление перемещения объекта: выходное напряжение датчика изменяет свой знак при проходе скользящим контактом средней точки.

Скользящий контакт снижает надежность работы датчика – это главный недостаток потенциометрических датчиков. Их достоинством является простота конструкции, линейность статической характеристики, безынерционность и низкая стоимость.

2.3.3. Индуктивные дп

Принцип действия индуктивных ДП заключается в изменении индуктивности катушки с сердечником при изменении положения последнего в катушке, а также при приближении к катушке объекта, обладающего ферромагнитными свойствами (в этом случае объект выполняет функции якоря).

Индуктивные ДП имеют разнообразные конструкции, применяются для измерения как малых, так и сравнительно больших перемещений, работают на переменном токе с частотой от 50 до 1000 Гц. Их преимущество – это надежность (отсутствует скользящий контакт) и высокая механическая прочность. К недостаткам индуктивных ДП следует отнести невысокую чувствительность, зависимость от колебаний частоты источника.

В качестве примера ниже приводится дифференциально-индуктивный ДП соленоидного типа, применяемый для измерения больших перемещений (несколько сантиметров).

Датчик (рис. 2.22) состоит из двух катушек с подвижным сердечником 1, связанным с объектом. Питание датчика осуществляется от трансформатора Т1 со средней точкой. К средним точкам а и б вторичной обмотки трансформатора и катушек датчика подключается нагрузка R_н.

При перемещении сердечника внутри катушек индуктивное сопротивление одной из них возрастает, а другой падает (в зависимости от направления движения). Это приводит к изменению токов I₁ и I₂, протекающих в катушках, и появлению тока в нагрузке, определяемого выражением

I_н = I₁ – I₂.

Рис. 2.22. Схема (а) и статическая характеристика (б) дифференциально-индуктивного ДП

Достоинством дифференциальной схемы включения катушек датчика является высокая чувствительность и нулевой сигнал на выходе при х = 0 (при среднем положении сердечника относительно катушек).