Кинестетические датчики

ГЛАВА 3. КИНЕСТЕТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Самым распространенным типом датчиков, используемых в робототехнике и мехатронике, являются кине­стетические датчики. Решение любых задач, связанных с контролем линейных и угловых параметров пе­ремещения, обеспечением заданной скорости движения невозможно без датчиков этой группы. По оценке автора, свыше 70% информационных устройств современного промышленного производства реализуют кинестетические функции. Кинестетические сенсоры по типу входного воздействия разделяются на три группы:

• датчики положения и перемещения;

• датчики скорости;

• датчики усилий и акселерометры.

3.1. Датчики положения и перемещения

Датчиком положения и перемещения (ДПП)  называется устройство, воспринимающее контролируемое положение и/или перемещение объекта (ли­нейное или угловое) и преобразующее его в выходной (обычно, электрический) сигнал, удоб­ный для дальнейшей обработки, хранения или передачи по каналу связи. Существует два основных метода определения положения и измерения перемещений. В соответствии с первым, датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменение этого сигнала характеризует перемещение этого объекта. В соответствии со вторым методом датчик формирует импульс на каждое элементарное перемещение, и суммарное положение определяется суммой всех элементарных перемещений. Информативным параметром датчиков первой группы, получивших название абсолютных, является изменение электрического импеданса - сопротивления, индуктивности или емкости в функции положения подвижного элемента датчика. Преобразователи второй группы называются датчиками последовательных приращений или относительными.

К ДПП робототехнических и мехатронных си­стем обычно пре­дъявляются следующие тре­бования:

• точность (полная погрешность - не более 1%);

• быстродействие (определя­емое через минима­ль­ную ча­­стоту опроса - не менее 50 Гц);

• надежность (доверительная вероятность - не менее 0,9);

• помехоустойчивость;

• технологичность;

• низкая  стоимость.

ДПП можно классифицировать по пяти основ­ным признакам на следующие группы:

1. По  измеряемому параметру: линейные и угловые.

2. По принципу действия: резистивные, электромагнитные, фотоэлектрические (оптоэлектрон­ные) и электростатические (емкостные).

3. По структуре построения: последовательные, дифференциальные и компенсационные или урав­новешивае­мые (рис. 3.1а - 3.1в соответственно).

1. По характеру изменения выходного сигнала: непрерывные (амплитудные, частотные, фазовые) и дискретные (амплитудно-, частотно-, и кодоимпульсные).

2. По принципу считывания сигналов: абсолютные и циклические.

В соответствии с ГОСТ 20964-75 и 20965-75 устанавливаются шесть классов точности ДПП. Для датчиков угловых перемещений при поворотах в пределах 360⁰ допускаемая систематическая погрешность для 1 класса точности не должна превышать 50’’, для 6-го - 1’’. Для датчиков линейных перемещений задаются 15 интервалов координатных перемещений. Шесть наиболее высоких классов точности таких ДПП представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Классы точности ДПП

Интервал перемещения, мм	Предел допускаемой систематической погрешности, мкм 1 2 3 4 5 6
10 ... 32	12	6	3	1,5	0,5	0,3
32 ... 125	16	8	4	2	1	0,5
125 ... 200	18	9	5	2,5	1	0,5
200 ... 320	20	10	5	3	1,5	0,8
320 ... 500	25	12	6	3	1,5	0,8

3.1.1. Резистивные датчики положения

Резистивный дат­­чик положения (РДП) пред­ставляет собой вклю­­ченный по схеме делителя напряжений резистивный ЧЭ, информативный параметр которого - сопротивление регулируется положением подвижного контакта.

РДП относятся к преобразователям с абсолютным отсчетом - их функция преобразования монотонна и непрерывна. Датчики этого типа не требуют подсчета полных циклов измерения. Благодаря этому, кратковременная потеря информации не приводит к накоплению погрешности.

РДП классифицируются по следующим признакам:

1. По типу ЧЭ: проволочные (реостатные) и пленочные.

2. По траектории перемещения скользящего контакта: линейные, круговые (a_max < 360^o) и геликоидальные (a_max > 360^o).

3. По способу съема сигнала: контактные и бесконтак­тные.

Конструктивно РДП выполнен в виде потенциометра с подвижным движком. В большинстве случаев движок механически связан с потенциометром и представляет собой скользящий контакт. В некоторых моделях контакт заменен оптической или магнитной связью. На рис. 3.2 представлены схемы кругового и линейного РДП.

Сопротивление РДП в процессе работы изменяется по закону:

где R₀ - сопротивление РДП, - от­­носительное перемещение дви­ж­ка.

Простейшими РДП являлись реостаты или системы Рустрата. Они состояли из константановой или никелиновой проволоки, навитой на корпус, по которой перемещался медный ползунок. Элемент сопротивления современных РДП также выполнен в виде проволоки, обладающей малым температурным коэффициентом сопротивления a_R, малой термоЭДС и коррозионной стойкостью. Таким требованиям удовлетворяют материалы на основе константана (Cu-Ni-Mn), манганина и других медно-никелевых сплавов, нихрома. Витки проволоки изолированы друг от друга эмалью, открыта лишь та часть проволоки, по которой скользит контакт. Другим типом элемента сопротивления являются проводящие углеродные пленки (размер зерен ~ 0,01 мм).

РДП используются в измерительных системах как постоянного, так и переменного тока. При этом во втором случае, для проволочных РДП проявляется реактивная составляющая сопротивления обмотки, обусловленная индуктивностью и межвитковой емкостью.

Включение РДП в цепь осуществляется по схеме делителя напряжения (со средней точкой или без нее). В этой схеме РДП сопротивлением R₀  под­ключается к источнику ЭДС E_и, с собственным сопротивлением  R_и (рис. 3.3).

В общем случае, напряжение на выходе РДП U_вых, по­даваемое на следующий каскад преобразова­теля (например, ИУ), с вход­ным сопротивлением R_н равно:

В частном случае, при питании датчика от ис­точника напряжения (R_и = 0), имеем  E_и = U_и. При этом выходной сигнал РДП U_вых = U₂₃ пропорционален сопротивлению R₂₃ (обра­зован­ному частью РДП R(x) = R₂ и нагрузкой  R_н = R₃):

где . Запишем:

Тогда, при отсутствии нагрузки на РДП R₃ = ¥,  R₀=R₁+R₂, и поэтому  U_вых /U_и » R₂/R₀, и, следовательно, зависимость U₂ от R₂  - линейна.

В линейной схеме делителя напряжения (с параметрами R₀, U_и, R₃) относительное перемещение c  подвижного контакта резистора R₀ меняется от 0 до 1. Функция преобразования РДП в относительных единицах  U_вых= U₂₃ = f(c) определяется из выражения:

Зависимость напряжения U_вых от R₂  при наличии нагрузки нелинейна. Обозначим  R₂ = cR₀, R₁ = (1-c) R₀. Тогда:

Вводя понятие коэффициента нагрузки  k_н = R₃/R₀  получим (рис. 3.4):

Следовательно, функция преобразования нагруженного РДП примет окончательный вид:

Заметим, что функции преобразования существенно зависит от коэффициента нагрузки и меняется в процессе перемещения движка РДП.

Характеристики РДП разделяют на две группы: эксплуатационные и метрологические.

К первым относятся: номинальное сопротивление R₀ (обычно  0,1 ...  100 кОм ), допуск на номинал DR₀ (± 1%), максимальная частота входного воздействия f_max (до 1 кГц ) и срок службы (измеряется в циклах полного преобразования: 10⁶ циклов для реостатного РДП,  10⁸ - для пластикового).

Среди метрологических характеристик выделяют: погрешность нелинейности e_нл, разрешающая способность (погреш­ность нечувствительности e_нч), погрешность люфта e_л и погрешность вследствие шума сигнала. В соответствии со значением полной погрешности РДП отечественные модели, используемые в робототехнике, принято разделять на три класса точности (табл. 3.2).

Таблица 3.2. Классы точности отечественных РДП

Класс точности	I	П	Ш
Погрешность, %	+ 0,25	+ 0,5	+ 1,0

Рассмотрим основные характеристики РДП, а также их влияние на свойства системы управления более подробно. Так, например, точность системы управления, практически не зависит от допуска DR₀ на номинальное значение сопротивления РДП. В типовых режимах включения РДП измеряет лишь приращение сопротивления, следовательно, точность определяется, главным образом, линейностью функции преобразования.

Одним из важнейших параметров РДП является максимальная скорость перемещения движ­ка, определяющая верхний частотный предел входных воздействий - час­тоту среза РДП. Рассмотрим линейный РДП, и, для простоты расчета допустим, что, движок со­вершает в окрестности поло­жения равновесия l₀ сину­соидальное движение с амплитудой 1_l = l₀ + l₁ sin wt. (w= 2pf). Следовательно, для максимальной скорости будет справедливо выражение: