01_Sen_ distance (Конспект лекций по предмету, преподаватель Ляхова Н.Б.)

Датчики технологической информации.

Датчики линейных перемещений.

Датчики выполняют следующие функции:

- показывать положение объекта управления (ОУ) или рабочего органа оборудования,

- отслеживать линейные перемещения ОУ или рабочего органа,

- фиксировать окончание этапа в системах цикловой автоматики,

- определять размеры ОУ, заготовок,

- измерять уровень жидкости,

• характеризовать состояние оборудования в части его загрузки, наличия ОУ,

• обнаруживать приближение объектов.

Сигнал на выходе датчика должен восприниматься ВУ. Это может быть амплитуда U или частота f напряжения.

Контактные датчики могут быть с фиксирующим контактом (выключатели и переключатели) и пружинные. Они могут быть бинарными (есть контакт или нет), функционировать автономно и на кодовом поле (рис. А - 1.12). Бинарные датчики констатируют наличие ОУ. Сопоставляя положение датчиков, можно определить перемещение ОУ.  l  № датчика или число пройденных датчиков  код.

№ 1 2 3 4 5 6

к ВУ

Рис. Схема путевых контактных датчиков.

К числу контактных датчиков относится щуп. Размеры объекта могут быть определены по отсчету координат точек касания сенсорной головки. Генератор 4 возбуждает продольные колебания волноводного резонатора 2 небольшой интенсивности с помощью пьезоэлектрического преобразователя 1, который входит в волноводную колебательную систему 2, соединенную с корпусом 3 посредством подвижного торцового зубчатого соединения (А-А). В момент касания щупа головки (рис.А64-6.7) возбуждаются высокочастотные упругие стоячие волны. Средняя линия зацепления находится в узле продольных резонансных колебаний волновода 2. Фазометр 6 определяет разность фаз между сигналом возбуждения и сигналом, снимаемым с головки. В момент касания наконечником головки объекта добротность системы снижается, что приводит к резкому изменению разности фаз сигналов. Отсчет координат точки касания определяется по ходу подвижных узлов установки. Устройство 5 обеспечивает восстановление начального состояния резонатора сенсорной головки для следующего измерения.

Генератор Волноводный

резонатор

АСУ А А

Фазометр

Рис. Блок схема резонансной измерительной системы с щупом - сенсорной головкой, фазовые характеристики разомкнутого и замкнутого резонатора.

Более простым, но менее точным контактным датчиком является щуп-выключатель, в котором замыкаемый контакт инициирует генерирование сигнала “нулевого перехода”. При этом останавливается работа следящего привода, считывается показание измерителя координат. С помощью щупа возможен не только контроль размеров, но и идентификация деталей по характерным точкам (размерам, геометрии).

Рис. Схема работы щупа-выключателя.

Потенциометрические датчики представляют собой реостат, подвижный контакт (щетка) которого вместе с объектом перемещается по распределенному сопротивлению или обмотке из сплавов (константан, нихром, фехраль, Pt-Yr). Обмотка дает ступенчатую статическую характеристику, линейную или зависящую от профиля каркаса (рис.А11-11.5). l   R  U.

Рис. Потенциометрический датчик перемещения

и включение его в преобразователь  R  U.

С помощью формы (изменения ширины w) толстопленочных резисторов можно воспроизвести любую характеристику. l (w)   R  U. Потенциометрические датчики могут показывать абсолютное положение(U_R) и относительное перемещение ( U) ОУ. (Положение клапана заслонки регулятора газового потока. Поворот руки робота.)

Магнитные датчики

Индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток на магнитопроводе от взаимного расположения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи. Магнитный поток пропорционален току в цепи: Ф = L I . Индуктивность обмотки, расположенной на магнитопроводе: L_i = w_i² / Z_m , где Z_m ^- магнитное сопротивление магнитопровода, w_i - число витков i- ой обмотки. Взаимная индуктивность 2-х обмоток, расположенных на одном магнитопроводе : М = w₁ w₂ / Z_m ,

где w₁ w₂ - число витков 1-ой и 2-ой обмоток.

Магнитное сопротивление Z_m =  ( R_m² + X_m² ),

_n

где R =  l_i / ( ₀ _i s_i ) +  / ₀ s - активная составляющая,

^{i = 1}

l_i , _i , s_i - соответственно длина, относительная магнитная проницаемость и площадь i-ого участка магнитопровода,  - величина воздушного зазора, s - площадь поперечного сечения воздушного участка магнитопровода,

X_m = Р / (  Ф² ) - реактивная составляющая,

Р - потери мощности на вихревые токи и гистерезис,  - круговая частота, Ф - магнитный поток в магнитопроводе.

При изменении индуктивности L и, следовательно, магнитного потока Ф в обмотке из w витков наводится ЭДС: Е = - w dФ / dt.

Приложенное ко входным зажимам переменное напряжение U и ток в измерительной цепи изменяются: U = - E + L dI/dt + R_m I .

  R   Z   L   Ф   U.

Варианты реализации индуктивных датчиков (рис.А11-11.13):

а - перемещение якоря с изменением величины  на 0.01 - 5 мм,

зависимость L = f ( ) нелинейна,

б - смещение якоря (вплоть до 10 - 15 мм) с изменением величины s,

зависимость L = f ( s ) линейна,

в - перемещение якоря в дифференциальном датчике линеаризирует

зависимость L = f ( ),

г - при питании первичной обмотки дифференциального взаимно индуктивного

(трансформаторного) датчика при положении якоря относительно электромагнитов

на выходных зажимах ЭДС Е = 0. При перемещении якоря на выходе появляется

ЭДС, знак которой зависит от направления смещения якоря.

д - дифференциальный трансформаторный датчик с разомкнутой магнитной цепью

используется для измерения больших перемещений ( до 100 мм).

Рис. Датчики перемещений (б) – угловых перемещений. ( в) - линейных перемещений, (г) - и дифференциальная схема.

Рис. Индуктивный датчик перемещений ( L   Ф   U).

Рис. Дифференциальный (трехобмоточный) индуктивный датчик перемещений

(linear variable differential transformer (LVDT)).

Индуктивный датчик приближения (Proximity) формирует внешнее магнитное поле, на параметры которого влияют магнитные объекты. Датчик состоит из обмотки магнитного поля, и осциллятора, амплитуда которого уменьшается по мере приближения объекта, поглощающего магнитную энергию.

Рис. Индуктивный датчик приближения, его структура

и эпюра изменения амплитуды электрических колебаний.

Рис. Примеры использования индуктивного датчика приближения:

- для измерения скорости вращения зубчатого вала,

- для определения границ продвижения частей оборудования.

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Магниторезистивный датчик. Вместо обмотки можно использовать магнитоуправляемый резистор - полупроводник, изменяющий свое сопротивление в магнитном поле. При внесении полупроводника, по которому течет ток, в магнитное поле на заряженные частицы действует сила Лоренца, искривляющая (увеличивающая) траекторию ее движения.

Отношение сопротивлений в магнитном поле и вне его называется магниторезистивным отношением N_R. Магниторезистивный эффект характерен эвтектическому сплаву САИН из InSb-NiSb ( N_R = 2.8 - 4.5), сплава СМ4 из InSb-GaAs ( N_R = 3.3 ) . Магниторезистивные элементы (рис.А17-7.26) выполняются на подложках из магнитных материалов (пермаллоя, магнитомягкого железа, феррита) для уменьшения зазора в магнитной цепи. Это может быть один из полюсов магнита.