03_Sen_angular (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

7

Датчики угла поворота, частоты (скорости) вращения вала.

Электрические датчики.

Контактные датчики.

Перемежающие проводящие и непроводящие площадки позволяют с помщью счетчика оценить угол поворота.

Рис. Контактный датчик поворота.

Потенциометрические датчики. ( Δα→ΔR)

Приводом движка потенциометра является поводок (шнур).

Рис. Потенциометрический датчик угла поворота (ПДУП), угловой скорости вращения и линейных перемещений.

Рис. Использование ПДУП для фиксации линейных перемещений, определения угловых параметров деталей, определения углов вращения в различных плоскостях.

Емкостные датчики используют различной формы электроды, такие, чтобы при повороте менялась бы емкость (непрерывная информация). Диск с контрастными диэлектрическими вставками в сочетании с датчиком приближения дает дискретную информацию об угле поворота.

Электромеханические датчики

Тахогенератор - генератор небольшой мощности - преобразователь механической энергии вращения в электрическую (напряжение). Входные параметры:

- угол поворота ротора ,

- линейная скорость вращения V (угловая скорость вращения:  = d / dt =  V / 30 .

Выходной параметр:

- ЭДС ротора Е (U) = k (d / dt) = k  V / 30 , k - статический коэффициент усиления.

U R_нагр = oo

 (d/dt - скорость)

Рис. Выходная характеристика тахометра.  U.

Вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ) выполняются аналогично 2-фазным асинхронным двигателям, у которых на статоре и роторе размещено по 2 обмотки, сдвинутые между собой на 90 эл. град.. Ротор поворачивают с помощью редукторного механизма. При повороте взаимная индуктивность между статором и ротором (а, следовательно, и ЭДС в обмотках ротора) изменяется по синусоидальному закону в зависимости от угла поворота ротора  :

Е_ (U) = Е_max sin.

ВТ используют для грубого отсчета.  U.



U _{статора}

R_нагр Е_ (U)

Рис. Схема вращающегося трансформатора.

Для измерения малых угловых перемещений (для точного отсчета) используют индуктосин. Ротор 1 и статор 2 индоктусина обмотки печатные 3, имеющие вид радиального растра. Диски расположены соосно параллельно и поворачиваются друг относительно друга на измеряемый угол. Обмотку статора питают переменным током. Поворот ротора вызывает изменение амплитуды и фазы наводимой в обмотке ЭДС. На печатной плате удается реализовать большее число полюсных шагов обмотки, т.е. высокую чувствительность к изменению угла поворота.  U.

Магнитные датчики

Индуктивные датчики состоят из вала, насаженного на него диэлектрического диска со вставками из магнитного материала - ферромагнетика и индуктивного датчика. При вращении вставка периодически проходит вблизи датчика, вызывая в нем изменение ЭДС.  U.

Монолитная интегральная схема, выполненная по технологии «Triaxis™» выполняет анализ изменения плотности магнитного потока при повороте объекта управления.

Рис. Датчик угла поворота по технологии «Triaxis™».

В качестве датчика, чувствительного к изменению магнитного поля , можно использовать датчик Холла. Эффект Холла: если в металлах и полупроводниках протекает ток в продольном направлении, то при внесении их в магнитное поле на поперечных гранях образца появляется ЭДС Холла U_x.

В

j

C F_L D

d

U_x ( E_x )

Рис. Схема эффекта Холла.

В отсутствие магнитного поля (В = 0) эквипотенциальные поверхности раполагаются перпендикулярно направлению электрического поля. Разности потенциалов между (.) С и (.) D нет. В магнитном поле на заряд, движущийся со скоростью V_др действует сила Лоренца F_L, отклоняющая его в поперечном направлении (по правилу “буравчика”) : F_L = q [ V_др B ].

Под действием силы F_L и электроны и дырки отклоняются в одну сторону. Грани С и D заряжаются противоположно: в р-полупроводнике грань С - “+” , а грань D - “-”, а в n-полупроводнике - наоборот, грань С - “-”, а грань D - “+”.

В результате разделения зарядов возникает электрическое поле Е_х (холловское поле) с разностью потенциалов V_х . Результирующий вектор напряженности будет сдвинут на угол  _x - угол Холла:

tg  _x = E_x / E .

E_n E E E_р

 _n  _p

Е_х Е_х

Рис. Результирующие векторы напряженности электрического поля в n-полупроводнике (Е_n) и p-полупроводнике (Е_p).

Возникшее поле Е_х действует на заряды с силой F_Е = q E_x , направленной против силы F_L . Накопление зарядов будет происходить до тех пор, пока не возникнет динамическое равновесие:

F_Е = F_L , q V_др B = q E_x .

Поскольку Е_х = V_др / d, а V_др = j / ( q N ), где j - плотность тока, а

N - концентрация носителей заряда то ЭДС Холла будет

U_х = j d B / ( q N ).

На вал устанавливается зубчатое колесо или диск с отверстием между неподвижными магнитом и элементом Холла. Чем быстрее вращается вал, тем больше импульсов U_хU). U.

В датчике Geartooth Sensors 55075 близкое расположение зубца колеса из ферромагнитного материала (стали) вызывает появление импульса тока Холла, что позволяет оценить скорость вращения зубчатого колеса.

Рис. Датчик скорости на эффекте Холла.

Магнитное сопротивление ферромагнетиков R = 1 / (_o  S ) мало из-за большой величины , что вызывает вихревые токи. Этот негативный для электротехнических изделий эффект, используется в датчике величины крутящего момента К вала ( ф. AEG Telefunken ). При вращении стального вала в его поверхностной зоне возникают вихревые токи, которые вызывают магнитное поле. Величина напряженности магнитного поля пропорциональна мгновенной мощности B = f (Р), а Р : Р =  K. Датчик расположен на расстоянии 0.5 - 1 мм от вращающегося объекта. Датчик используется в автоматических системах управления, в том числе для переключения передачи в автомобиле. ВU.

Оптические датчики.

Визирная линия реализует датчик на основе отверстия в экране - диске, насаженном на вал. Избирательность метода ниже, чем у магнитных датчиков из-за рассеяния света простыми источниками (кроме лазера). Это можно скомпенсировать, введя зону нечувствительности фотоприемника.

Оптоэлектронный датчик с переменной оптической плотностью основан на изменении освещенности фотоприемника в зависимости от углового расположения вала 9. Переменная освещенность достигается фильтрами переменной оптической плотности и, следовательно, переменного коэффициента затухания светового потока а . На (рис.А17- 1.2. ) между источником света 1 и фотоприемниками 2,3 размещается укрепленная на валу 9 стеклянная подложка 4 с переменными оптическими фильтрами из хрома. На фильтре 5 градиент изменения имеет угловое направление, на фильтре 6 - радиальное. На поверхности радиального фильтра закреплена непрозрачная диафрагма 7 со спиралевидной прорезью 8 постоянной ширины.

Линейчатый фотоприемник 3 закреплен неподвижно. Световой поток падает на приемник через участок прорези в диафрагме. При повороте вала 9 против часовой стрелки точка пересечения спиралевидной прорези и апертуры приемника смещается от центра к периферии радиального фильтра 6. По напряжению на выходе фотоприемника можно судить о положении вала. Для линеаризации выходной характеристики используется дополнительный точечныя фотоприемник 2, освещаемый через угловой оптический фильтр 5. Оптические фильтры 5 и 6 установлены таким образом, чтобы максимальная освещенность линейчатого фотоприемника 3 соответствовала минимальной освещенности точечного фотоприемника 2 .  аU.

Вместо координатно зависимого коэффициента затухания светового потока может использоваться координатно чувствительный фотоприемник. В датчике на (рисА17- 1.4) источником света 1 формируется “световой штрих” с помощью щелевой линзы на конце стекловолокна (т.н. фокон). Фокон поворачивается вместе с валом 4. Световой поток подается к координатно-чувствительному фотоприемнику, который может быть выполнен в виде фотопотенциометра ( рис.А17- 1.5 ) или функционального фоторезистора ( рис.А17- 1.6 ) ( для простоты линейных).

Фотопотенциометр состоит из пленочного резистора 1 между контактами А и В, к которым подключен напряжение U₁ . По всей длине резистивной пленки 1 имеется контакт с фотопроводящей пленкой 2. С другой стороны к фотопроводящей пленке примыкает эквипотенциальный коллектор 4 , к которому подключен резистор нагрузки R_н . На резисторе выделяется выходное напряжение U₂ . В узкой области фотопроводящей пленки 2 под фоконом под воздействием светового потока существенно возрастает проводимость. это создает условия локального протекания части тока резистора на коллектор и в цепь нагрузки. Положение вала характеризуется амплитудой U₂ .  RU.

Функциональный фоторезистор создается из фоторезистивной пленки 1 ( из сульфида или сульфоселенида кадмия), поверх которой нанесены три электрода 2, 3 и 4. Внешнее напряжение U₁ подключается к электродам 2 и 4. Выходное напряжение U₂ снимается с электродов 3 и 4. Световой поток под фоконом формирует две области протекания фототока, сопротивление которых прямо пропорционально их длине. Образуется делитель напряжения с переменной частью между электродами 2 и 3. Выходное напряжение U₂ будет обратно пропорционально длине переменой части фоторезистора . Следовательно, при перемещении фокона вместе с валом вдоль электродов будет меняться выходное напряжение U₂ .  R₂U.

Для измерения угловой скорости используется лазерный гироскоп , принцип действия которого основан на определении разности оптических путей 2-х встречных световых волн, распространяющихся во вращающемся резонаторе - эффекте Саньяка.