4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

2.2.5 Оптические датчики

Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Наиболее популярной является схема оптической триангуляции – датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить длину d – расстояние до объекта (рисунок 2.12). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

Фотодетектор x1

Источник излучения

Объект перемещения

Рисунок 2.12 – Оптический датчик на основе схемы оптической триангуляции

В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор (рисунок 2.13). Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.

Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е. датчик может «обращать внимание» только на объекты с хорошей отражающей способностью, прочие объекты игнорируются. Разумеется, чувствительность к поляризации негативно сказывается на стоимости подобных устройств.

41

Объект перемещения

Рисунок 2.13 – Оптический датчик на основе дифракционных решеток

Достоинства:

компактная конструкция;

простота установки;

обнаружение непрозрачных объектов из любых материалов;

большое расстояние срабатывания (до 20 м);

отсутствие влияния на них электромагнитных излучений.

Недостатки:

ограничения в работе при неблагоприятных условиях (пыль, влажность, масляная пленка на линзах);

низкая надежность обнаружения;

высокие требования к поверхности объекта обнаружения; низкая помехозащищенность от посторонних засветок.

2.2.6 Вихретоковые датчики перемещения

Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле (рисунок 2.14). Параметры вторичного поля определяются регистратором, и на их основании вычисляется расстояние до объекта, так как чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный принцип используется и в вихретоковых дефектоскопах, однако там, на параметры вторичного магнитного поля влияет не расстояние до объекта, а наличие в его внутренней структуре скрытых несовершенств. Метод является бесконтактным, однако может применяться только для металлических тел.

42

Корпус

Диэлектрический наконечник

Плоская катушка

Магнитное поле

Объект

наблюдения

Рисунок 2.14 – Вихретоковый датчик перемещения

Вихретоковые преобразователи (вихретоковые датчики) предназначены для бесконтактного измерения вибрации перемещения и частоты вращения электропроводящих объектов. Они применяются для диагностики состояния промышленных турбин, компрессоров, электромоторов. Наиболее часто объектом контроля является осевое смещение и радиальная вибрация вала ротора относительно корпуса.

Достоинства:

высокая точностью;

не требует математической обработки результатов измерения ввиду прямого соответствия выходного сигнала перемещению объекта;

температурный диапазон от – 60 °C до 185 °C;

измерение расстояния высокого разрешения на металлических объектах вне зависимости от непроводящей среды в области измерений (газ, масло, вода, грязь).

Недостатки:

возможность работы только с металлическими предметами; высокая стоимость.

2.2.7 Ультразвуковые датчики перемещения

В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором (рисунок 2.15), которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приёма ультразвукового импульса позволяет измерять расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений опять же можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультрозвуковых дефектоскопах.

43

УЗ приемник

Объект перемещения

УЗ источник

Рисунок 2.15 – Ультразвуковой датчик перемещения

2.2.8 Магниторезистивные датчики перемещения

Вмагниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления

ивеличины индукции внешнего магнитного поля. Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения (рисунок 2.16). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

С помощью ультразвуковых датчиков могут определяться твердые, жидкие, зернообразные и порошкообразные объекты.

Объекты, величина шероховатости, поверхности которых превышает 0,15 мм, имеют преимущество в том, что их поверхность не должна быть направлена точно на сам датчик, однако для них рабочий диапазон уменьшается.

Окраска объекта не оказывает никакого влияния на расстояние срабатывания; также прозрачные объекты из стекла или оргстекла определяются надежно. Температура объекта влияет на рабочий диапазон: горячие поверхности отражают звук хуже, чем холодные.

Поверхности жидкостей отражают звук подобно твердым, гладким телам. Следует обращать внимание на правильную ориентацию датчика.

Вмостовой схеме одна пара диагональных элементов моста включает шунтирующие полосы, которые расположены под углом +45̊к оси полосы, другая пара – под углом –45̊. Увеличение сопротивления одной пары резисторов под влиянием поля соответствует равному уменьшению второй пары. Результирующий дифференциальный сигнал является линейной функцией амплитуды внешнего магнитного поля, нормального к оси полосы в ее плоскости.

Для увеличения чувствительности датчика каждое плечо моста с алюминиевыми перемычками формируют из нескольких магниторезистивных пленок, параллельно ориентированных на подложке наподобие лабиринта.

Поэтому мостовые датчики в исполнении с зазубренными полосами рекомендуются для многих измерений – скорости, углов, тока, а также подходят для измерений слабых полей. Достоинствами таких преобразователей являются: высокая чувствительность, линейность, возможность определить направление поля.

44

Рисунок 2.16 – Магниторезистивный датчики перемещения

Преимущества:

широкий выбор магнитов для измерений, независимо от их остаточной намагниченности (но в пределах насыщающих значений поля);

независимость действие в зоне насыщенности напряженности поля датчика;

независимость от механических допусков;

независимость от температурных эффектов за счет вычисления функции арктангенса в угловых измерениях;

магниторезистивные мостовые датчики после компенсации температурно-стабильны и имеют широкий диапазон (–40…160 0С).

Недостатки:

малое абсолютное сопротивление при B=0, что обусловлено их конфигурацией;

большой магнитный гистерезис, обусловленный размагничивающими полями;

резко выраженная зависимость выходного сигнала датчика от ориентации плоскости его чувствительного элемента относительно направления внешнего поля; узкий рабочий интервал магнитных полей.

2.2.9 Датчики на основе эффекта Холла

Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла – прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Набольшее распространение получили так называемые ключевые датчики Холла, т.е. такие датчики, выход которых меняет свое логическое состояние при

45

превышении напряженностью магнитного поля определенной величины. Однако существует отдельный класс интегральных микросхем с элементом Холла, позволяющий значительно расширить область применения. Речь идет о так называемых линейных датчиках Холла.

В большинстве случаев для измерения перемещения объектов используют линейные датчики Холла совместно с постоянными магнитами. Это обусловлено тем, что для поддержания максимальной линейности необходимо обеспечить большую величину изменения магнитного поля при изменении расстояния между датчиком и опорной точкой на перемещающемся объекте. Линейная зависимость и изолированность от измеряемого тока делает линейный токовый датчик идеальной схемой для контроля двигателя. Выход интегральной схемы датчика Холла пропорционален току в проводнике, выходной линейный сигнал точно воспроизводит форму измеряемого тока. Следует отметить, что линейный токовый датчик определяет величину магнитного поля, создаваемого протекающим током, но не сам ток. Форма напряжения на выходе датчика Холла соответствует форме измеряемого тока. Конструктивное исполнение обеспечивает изоляцию датчика и гарантирует нормальную работу при большом токе или высоком напряжении. Кроме того, токовые датчики следует использовать в области значений, близких к максимальным, т.к. это уменьшает влияние шумов.

2.2.10 Магнитострикционные датчики перемещения

Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал – волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (см. рисунок 2.17). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Видемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.

46

Постоянный кольцевой магнит

импульсов

Зона взаимодействия магнитных полей

Рисунок 2.17 – Магнитострикционный датчик перемещения

Магнитострикция – изменение размеров и формы кристаллического тела при намагничивании – вызывается изменением энергетического состояния кристаллической решетки в магнитном поле, и, как следствие, расстояний между узлами решетки. Наибольших значений магнитострикция достигает в ферро- и ферритомагнетиках, в которых магнитное взаимодействие частиц особенно велико.

Магнитострикционные преобразователи преобразуют энергию магнитного поля в механическую (звуковую или ультразвуковую) энергию. Их действие основано на магнитоупругом эффекте, т.е. на том, что некоторые металлы (железо, никель, кобальт) и их сплавы деформируются в магнитном поле. Ярко выраженными магнитоупругими свойствами обладают и ферриты (материалы, спекаемые из смеси окиси железа с окислами никеля, меди, кобальта и других металлов). Если магнитоупругий стержень расположить вдоль переменного магнитного поля, то этот стержень станет попеременно сокращаться и удлиняться, т.е. испытывать механические колебания с частотой переменного магнитного поля и амплитудой, пропорциональной его индукции. Вибрации преобразователя возбуждают в твердой или жидкой среде, с которой он соприкасается, волны ультразвука той же частоты. Обычно такие преобразователи работают на собственной частоте механических колебаний, так как на ней наиболее эффективно преобразование энергии из одной формы в другую. Магнитострикционные преобразователи из тонкого листового металла работают лучше всего в низкочастотном ультразвуковом диапазоне от 20 до 50 кГц, на частотах выше 100 кГц у них очень низкий КПД.

2.3 Энкодеры

2.3.1 Общие положения

Энкодер – это устройство, преобразующее линейное или угловое перемещение в последовательность сигналов, позволяющих определить величину перемещения. Энкодер представляет собой устройство, вал которого соединяется с вращающимся валом исследуемого объекта, и обеспечивает электронный контроль угла поворота последнего.

Выделяют линейные и поворотные энкодеры.

47

Поворотный энкодер – устройство, преобразующее угол поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить этот угол.

Энкодеры бывают двух типов:

–инкрементный (накапливающий) – энкодер выдаёт импульсы, означающие изменение его положения (пример: энкодер используемый на колёсике компьютерной мышки);

–абсолютный – энкодер возвращает своё абсолютное положение (пример: переменный резистор в сервоприводе).

Инкрементные энкодеры на выходе формируют импульсы, по которым принимающее устройство определяет текущее положение вала путём подсчёта числа импульсов счётчиком. Сразу же после включения накапливающего энкодера положение вала неизвестно. Для привязки системы отсчёта к началу отсчёта инкрементные датчики имеют нулевые (референтные) метки, через которые нужно пройти после включения оборудования. К недостаткам такого типа датчиков угла положения также относится то, что невозможно определить пропуск импульсов от энкодера по каким-либо причинам. Это приводит к накоплению ошибки определения угла поворота вала, до тех пор, пока не будет пройдена нуль-метка. Для определения направления вращения применяются два измерительных канала («синусный» и «косинусный»), в которых идентичные последовательности импульсов (меандр) сдвинуты на 90° относительно друг друга.

Абсолютные энкодеры выдают на выходе сигналы, которые можно однозначно интерпретировать как угол поворота вала датчика угла. Датчики угла этого типа не требуют привязки системы отсчёта к какому-либо нулевому положению.

Энкодеры различаются по принципу действия:

–оптические;

–магнитные (на датчиках Холла);

–со щеточными контактами;

–резисторные (потенциометры);

–индуктивные;

–ёмкостные.

По допустимому углу поворота вала подразделяются на:

–с ограниченным диапазоном работы;

–с неограниченным диапазоном работы.

Наибольшее применение получили оптические и магнитные энкодеры.

2.3.2 Оптические энкодеры

На валу оптического энкодера установлен диск с окнами прерывания по периметру, напротив которых размещены светодиод и фототранзистор, обеспечивающие формирование выходного сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов с частотой, пропорциональной как количеству окон прерывания, так и скорости вращения диска/вала. Количество импульсов

48

отображает угол поворота. Оптические энкодеры работают по двум принципам: на просвет и на отражение.

Инкрементный энкодер

Оптические поворотные инкрементные энкодеры стали наиболее популярным устройством для измерения угловой скорости и положения в двигателях, на валу колеса или рулевого механизма. Простейшим типом инкрементного энкодера является одноканальный тахометр, обычно состоящий из механического прерывателя света, производящего определенное количество прямоугольных или синусоидальных импульсов, при каждом обороте вала (рисунок 2.18). Увеличение числа импульсов увеличивает разрешение и стоимость модуля. Разрешение энкодера измеряется в числе отсчетов на оборот (CPR). Минимальное угловое разрешение легко вычислить по величине CPR. Типичный энкодер имеет значение 2000 CPR, в то же время промышленный оптический энкодер может иметь параметр CPR равный 10000. С точки зрения требуемого диапазона, конечно важно, чтобы энкодер был достаточно быстрым, чтобы успевать считывать значения на предполагаемой скорости вращения.

Рисунок 2.18 – Принцип действия инкрементного энкодера

Эти относительно недорогие устройства используются в качестве датчиков скорости в цепи обратной связи в системах управления, работающих на средних и высоких скоростях, но на очень малых скоростях чувствительны к шумам и проблемам со стабилизацией из-за ошибок квантования. Здесь нужно искать компромисс между разрешением и скоростью обновления: улучшенная переходная характеристика требует большей скорости обновления, которая для данного числа линий уменьшает число возможных импульсов энкодера для интервала дискретизации.

Можно разделить энкодеры по типу считываемой информации:

1. Одиночный энкодер (рисунок 2.19 а) – считает количество импульсов и по количеству определяет угол поворота.

49

Рисунок 2.19 – Оптический диск энкодеров:

а) одиночного; б) сдвоенного

Преимущества:

самый простой и доступный вариант энкодера (только один датчик – излучатель+приёмник).

Недостатки:

ошибки инициализации (при старте системы, не ясно в каком положении находится энкодер);

ошибки при подсчете импульсов на границах (возможны ложные срабатывания из-за «дребезга»;

нестабильность работы на низких скоростях;

невозможность определить направление движения.

2. Сдвоенный (квадратурный) энкодер (рисунок 2.19 б) считает количество импульсов, учитывая направление. Квадратурные энкодеры учитывают направление вращения путем добавления второго канала, смещенного относительно первого, поэтому результирующие последовательности импульсов сдвинуты по фазе на 900, как показано на рисунке

2.20.

Рисунок 2.20 – Принцип действия квадратурного инкрементного оптического энкодера

Разновидность инкрементального энкодера, которая состоит из двух датчиков, срабатывающих со смещением в полшага, позволяет практически полностью гарантировать отсутствие ложных срабатываний на границе одного из энкодеров.

Определить направление поворота можно по тому, какой из выводов раньше подключился к земле. При подсчете полных циклов можно посчитать количество щелчков поворота энкодера.

50