Классификация датчиков по различным признакам
В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), пневматические, электрические, расходомеры, датчики скорости, ускорения, усилия, температуры, давления и др.
В настоящее время существует приблизительно следующее распределение доли измерений различных физических величин в промышленности: температура – 50%, расход (массовый и объемный) – 15%, давление – 10%, уровень – 5%, количество (масса, объем) – 5%, время – 4%, электрические и магнитные величины – менее 4%.
По виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики амплитуды переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.
Большинство датчиков являются электрическими. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений:
- электрические величины удобно передавать на расстояние, причем передача осуществляется с высокой скоростью;
- электрические величины универсальны в том смысле, что любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот;
- они точно преобразуются в цифровой код и позволяют достигнуть высокой точности, чувствительности и быстродействия средств измерений.
По принципу действия датчики можно разделить на два класса: генераторные и параметрические(датчики-модуляторы). Генераторные датчики осуществляют непосредственное преобразование входной величины в электрический сигнал.
Параметрические датчики входную величину преобразуют в изменение какого-либо электрического параметра (R, L или C) датчика.
По принципу действия датчики также можно разделить на омические, реостатные, фотоэлектрические (оптико-электронные), индуктивные, емкостные и д.р.
Различают три класса датчиков:
- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;
- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.
Индуктивные датчики служат для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.
Принцип действия индуктивного датчика основан на изменении индуктивности обмотки на магнитопроводе в зависимости от положения отдельных элементов магнитопровода (якоря, сердечника и др.). В таких датчиках линейное или угловое перемещение X (входная величина) преобразуется в изменение индуктивности (L) датчика. Применяются для измерения угловых и линейных перемещений, деформаций, контроля размеров и т.д.
В простейшем случае индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности с магнитопроводом, подвижный элемент которого (якорь) перемещается под действием измеряемой величины.
Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы. Индуктивный датчик является бесконтактным, не требует механического воздействия, работает бесконтактно за счет изменения электромагнитного поля.
Преимущества
- нет механического износа, отсутствуют отказы, связанные с состоянием контактов
- отсутствует дребезг контактов и ложные срабатывания
- высокая частота переключений до 3000 Hz
- устойчив к механическим воздействиям
Недостатки - сравнительно малая чувствительность, зависимость индуктивного сопротивления от частоты питающего напряжения, значительное обратное воздействие датчика на измеряемую величину (за счет притяжения якоря к сердечнику).
Выбор датчиков
В нашу информационную систему ГАЛ были выбраны следующие датчики (см. приложение 2):
- Силомоментный датчик держателя поворотного стола
- Сканер штрих кода паллет
- Индуктивный датчик присутствия тележки
- Ультразвуковые преобразователи
Силомоментный датчик.
Силомоментными датчиками очувствления адаптивных роботов называют технические средства, предназначенные для измерения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на рабочий
орган манипулятора, в проекции на связанную с датчиком систему
координат.
Силомоментные датчики обычно размещают либо непосредственно в губках захвата, либо между последним звеном и захватом манипулятора. Последнее конструктивное решение более предпочтительно в случае, когда в процессе работы необходимо автоматически заменять рабочей орган.
Преобразование сил, возникающих при физическом контакте захвата с объектом, в электрический сигнал в рассматриваемых датчиках осуществляется двумя путями. Первый из них состоит в непосредственном измерении упругих деформаций чувствительных элементов датчика. Наиболее часто для этого применяют тензорезистивные, пьезоэлектрические и магнитоупругие преобразователи.
Второй путь преобразования силовой информации в электрический сигнал заключается в измерении микроперемещений калиброванных пружин датчика, деформируемых под действием внешних сил в процессе контакта захвата с объектом. При этом используют измерительные устройства на основе электрических, магнитных и оптических методов измерения малых перемещений.
Наиболее распространенный метод – непосредственное измерение упругих деформаций с помощью тензорезисторных датчиков. Известно множество проводниковых и полупроводниковых тензорезисторов, имеющих характеристики, которые отвечают требованиям, предъявляемым к чувствительным элементам силоментных датчиков.
Существует ряд марок полупроводниковых тензорезисторов: КТД,
КТДМ, КТЭ, КТЭМ, Ю-8, 0-12 и др. База этих тензорезисторов составляет 2 – 7мм при ширине 0,2 и толщине 0,15 мм. Коэффициент чувствительности кремниевых тензорезисторов равен 100 – 150 (и более). Применение полупроводниковых тензорезисторов целесообразно во всех случаях, когда требуется высокая чувствительность при малых габаритах датчика.
Из проводниковых тензорезисторов наиболее широкое распространение получали фольговые тензорезисторы, отличающиеся высокой стабильностью характеристик и низким температурным дрейфом. Однако они имеют меньшую (в несколько десятков раз) чувствительность к деформациям, чем полупроводниковые тензорезисторы, при соизмеримости остальных параметров. Коэффициент чувствительности фольговых тензорезисторов равен 2 – 3, что существенно ограничивает значения выходного сигнала.