Потенциометрические датчики положения

Потенциометрический датчик (рис. 7.10) состоит из каркаса 1 с обмоткой из сплава с высоким удельным сопротивлением, скользящего контакта 2 и токопровода 3. В ряде конструкций вместо обмотки из проводника используются пленки.

Рис. 7.10. Потенциометрические датчики и устройства управления на их основе:

1 – каркас с обмоткой; 2 – скользящий контакт; 3 – токопровод

Каркас закрепляется неподвижно, а щетка соединяется механически с подвижной частью объекта, перемещение которого нужно измерить. При движении щетки изменяется активное сопротивление участка провода между ней и одним из выводов обмотки датчика. Это изменение сопротивления можно преобразовать в изменение тока или напряжения на выходе датчика.

Основными преимуществами потенциометрических датчиков являются: относительная простота конструкции, высокая точность и стабильность, низкий уровень собственных шумов, высокий уровень выходного сигнала. Недостатки датчика связаны со сложностью обеспечения стабилиности параметров подвижного контакта (из-за окисления контактирующих поверхностей и пр.).

Датчики данного типа могут быть как линейными, так и круговыми в виде кольца.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики отличает простая, компактная конструкция, высокая надежность и невысокая стоимость. Их использование не требует механического (контактного) воздействия на датчик со стороны объекта измерения.

Основными компонентами датчиков (рис. 7.11) являются: чувствительный элемент 2 с катушкой индуктивности, намотанной на ферритовый сердечник, генератор синусоидального напряжения 3, цепь сравнения (компаратор) 4 в датчиках-выключателях или блок линеаризации 6 в датчиках-измерителях расстояния и выходной усилитель сигнала 5.

Рис. 7.11. Индуктивный датчик положения:

1 – объект; 2 – чувствительный элемент; 3 – генератор;
4 – компаратор; 5 – выходной усилитель; 6 – блок линеаризации

После подачи напряжения питания перед активной поверхностью датчика генерируется электромагнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности генератора. При появлении объекта в этой зоне снижается добротность колебательного контура и соответственно амплитуда его колебаний. По уровню уменьшения амплитуды электронная схема датчика определяет расстояние от объекта до датчика и генерирует выходной сигнал. В выключателях (бинарных датчиках) этот сигнал имеет два состояния: одно соответствует положению объекта в пределах зоны действия датчика, другое — вне зоны его работы. Переключение выходного сигнала датчика происходит тогда, когда металлический объект приближается к датчику на определенное расстояние. В датчиках-измерителях уровень (значение) выходного сигнала обратно пропорционален расстоянию между объектом и датчиком.

Основные преимущества индуктивных датчиков заключаются в малом потреблении энергии и отсутствии ложных срабатываний. Кроме того, они не вызывают помех в работе оборудования и не оказывают температурного воздействия на объекты. На практике индуктивные датчики используются чаще датчиков других видов.

Индуктивные датчики реагируют на любые металлические объекты в зоне своего действия путем переключения состояния выходного сигнала (выключатели) или изменения его значения (измерители). Рабочий диапазон индуктивных датчиков зависит от диаметра активной поверхности и электропроводности материала, введенного в рабочую зону.

Емкостные датчики

Емкостные датчики, как и индуктивные, не требуют механического контакта с объектом измерения, однако могут обнаружить не только металлические, но и не токопроводящие объекты, например, полимеры, пластмассы, керамику, бумагу, а также объекты, расположенные за не токопроводящим слоем материала. Емкостные датчики обычно используются как выключатели, но могут определять и расстояние до объекта, правда, зона их действия довольно мала – до 30 мм. Главными достоинствами емкостных датчиков являются простота, высокая чувствительность и малая инерционность, а недостатками – влияние на датчик внешних электрических полей и сложность измерительных устройств датчика.

Принцип действия емкостного датчика основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения обкладок и диэлектрической проницаемости среды между ними. Эта зависимость используются для преобразования механических перемещений в изменение емкости. При приближении объекта к активной поверхности датчика меняется емкость в колебательном контуре датчика и параметры генерируемых им колебаний. По изменению этих параметров определяется расстояние до объекта в датчиках-измерителях или происходит изменение уровня выходного сигнала на определенном расстоянии до объекта в датчиках-выключателях.

Оптические датчики

Оптические (фотоэлектрические) датчики с помощью светового луча могут детектировать любые объекты, удаленные от них на расстояния от нескольких миллиметров до десятков метров. Оптические датчики имеют малое время срабатывания, позволяют определять цвет объекта, могут работать на значительных расстояниях и могут быть установлены в труднодоступных местах.

Главные компоненты оптического датчика представлены на рис. 7.12, 7.13.

Рис. 7.12. Конструктивная схема оптического датчика:

1, 2 – источник и приемник света; 3 – электронные схемы; 4 – устройство согласования; 5 – сигнальные светодиоды; 6 – потенциометр, регулирующий чувствительность; 7 – корпус; 8 – линза; 9 – соединительный кабель

а б в

Рис. 7.13. Типовые структурные схемы оптических датчиков:

а – датчик типа «световой барьер»; б – рефлекторный; в – диффузный;

1 – излучатель света; 2 – приемник; 3 – генератор (источник интенсивного модулированного света); 4 – демодулятор для выделения полезного сигнала;
5 – транзистор (элемент выхода)

Эти компоненты датчика могут быть расположены в одном общем корпусе или в двух отдельных корпусах, в зависимости от того прерывает или отражает луч света обнаруживаемый объект 6 (рис. 7.13).

По принципу действия оптические датчики делятся на барьерные, диффузные и рефлекторные. Барьерные датчики (как правило, выключатели), имеют излучатель и приемник, смонтированные в разных корпусах. Свет посылается непосредственно от излучателя к приемнику, размещенному в отдельном корпусе соосно с источником света. Барьерные датчики обнаруживают объекты, которые появляются между излучателем и приемником, прерывая луч света и формируя выходной сигнал в приемнике. Датчики работают с объектами из любых материалов, причем поверхности объектов могут быть окрашенными, прозрачными, шероховатыми, гладкими, металлическими, пластмассовыми и т. д. Барьерные датчики малочувствительны к тяжелым внешним условиям, таким как пыль в воздухе, грязь на линзах, пар или туман. Дистанция их срабатывания может превышать 50 м.

Диффузные датчики также используются для обнаружения объектов различной формы и из различных материалов и могут просто переключать уровень выхода при фиксированном расстоянии или определять расстояние до объекта. Их излучатели и приемники встраиваются в единый корпус. Световой поток излучателя падает на поверхность объекта, от которого происходит его отражение. Отраженный поток света определяется расстоянием до объекта и его отражающей способностью (материалом, шероховатостью поверхности, цветом и т. д.). Часть потока попадает в приемник, вызывая срабатывание датчика. Преимущество данного типа датчиков заключается в простоте применения, а исполнение в едином корпусе обеспечивает максимально простой монтаж и кабельную разводку. Еще одно достоинство диффузных датчиков - отсутствие отражателя.

Диффузные датчики имеют малое операционное расстояние (обычно до 100 мм, редко до 200 мм), зависящее также от цвета и типа поверхности. Окружающие датчик блестящие поверхности, расположенные даже далеко от датчика, могут создавать помеху и вызывать ложные срабатывания датчика. Ухудшает характеристики датчика также оптическое вмешательство от естественного освещения или искусственного света близкого к спектру естественного света, а также свет переменной интенсивности (мигающий свет).

В рефлекторных датчиках излучатель и приемник, так же как и в диффузных датчиках, встроены в один корпус, но для возврата потока используются специальные отражатели или световозвращающие ленты (рис. 7.14).

Рис. 7.14. Отражатели и световозвращающие ленты

Рефлектор (световозвращатель) может выполняться либо в виде тонких полимерных пластин, либо в виде самоклеящейся ленты, наносимой на объект. Конструкция рефлектора обеспечивает обратное отражение света в сторону его падения.

Оптические выключатели, работающие на отраженном луче световозвращателя, обладают всеми преимуществами диффузных датчиков и к тому же позволяют увеличить расстояние срабатывания до 3…5 м.

Датчики угла поворота

Датчики угла поворота (ДУП) предназначены для определения угла поворота вращающегося объекта (вала). Они широко применяются в приводах и, прежде всего, в сервоприводах. По способу выдачи информации ДУПы разделяют на накапливающие (инкрементные) и абсолютные (позиционные); по принципу действия – на оптические, резистивные, магнитные, индуктивные, механические. Они могут иметь неограниченный диапазон измерения угла. В настоящее время на практике наиболее широко применяются преобразователи угол-код (энкодеры).

Связь энкодера с вращающимся объектом осуществляется посредством механического соединения их валов с помощью специальной соединительной муфты, передающей угол поворота без искажений. Энкодер с полым валом можно монтировать непосредственно на вал объекта.