Датчики линейного перемещения

Перемещение — это изменение положения объекта в пространстве относительно исходного положения. Перемещение может быть линейное и вращательное, включая поворот на определенный угол.

Датчики перемещений выполняют следующие функции:

  • • показывают положение объекта управления (ОУ) или рабочего органа оборудования;
  • • отслеживают линейные перемещения ОУ или рабочего органа;
  • • фиксируют окончание этапа в системах цикловой автоматики;
  • • определяют размеры ОУ (например, заготовок);
  • • измеряют уровень жидкости;
  • • характеризуют состояние оборудования в части его загрузки.

Рассмотрим сначала параметрические датчики линейного перемещения,

которые включаются в электрическую схему в качестве пассивного элемента. Это контактные, потенциометрические, емкостные и индуктивные датчики.

Контактные датчики являются простейшими параметрическими датчиками. К этим преобразователям относятся конечные выключатели, путевые переключатели и другие элементы, формирующие дискретный выходной сигнал по достижении контролируемым объектом заданного (конечного) положения. Их применяют для отслеживания циклических перемещений различных рабочих органов машин.

Принцип действия контактных датчиков основан на замыкании или размыкании соответствующих контактов в электрической цепи или на перекрывании каналов в пневматических и гидравлических системах при соприкосновении подвижной части датчика (щупа, копира, штока) с перемещающимся механизмом (транспортером) либо с неподвижным объектом в случае, если датчик размещен на движущемся мобильном агрегате. Примером таких датчиков могут быть микровыключатели, в которых подвижные контакты кинематически связаны со штоком, соприкасающимся с перемещающимся механизмом. Обычно полный ход штока — около 3 мм. Так же широко применяют более надежные выключатели с магнитоуправляемыми контактами и бесконтактные конечные выключатели.

Реостатные датчики, или датчики активного сопротивления, являются параметрическими датчиками и представляют собой в принципе обычный реостат, в котором перемещение подвижного контакта, связанного с контролируемым объектом, изменяет введенное в электрическую цепь сопротивление. Значение сопротивления определяют по закону Ома, зная напряжение и ток в электрической цепи. Однако удобнее пользоваться не реостатными, а потенциометрическими датчиками.

Потенциометрический датчик для восприятия линейных перемещений конструктивно представляет собой каркас прямоугольной формы с обмоткой из проволоки. На рис. 7.1 регулируемый резистор включен по схеме потенциометра. Показание вольтметра V, которое является выходным сигналом датчика, пропорционально перемещению х движка потенциометра. Такой датчик можно рассматривать как генераторный датчик.

Потенциометрический преобразователь

Рис. 7.1. Потенциометрический преобразователь

Наибольшее распространение получили пленочные потенциометры, в которых функцию обмотки из проволоки выполняет пленка из радия, нанесенного на стекло. Коэффициент преобразования, или коэффициент чувствительности, К такого датчика определяется как

Емкостные датчики перемещения. В основе работы емкостных параметрических датчиков перемещения лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. Емкостной датчик обычно представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, между электродами которого располагается диэлектрик.

Для измерения малых линейных перемещений х, составляющих доли миллиметра, используют плоский конденсатор с переменным зазором (рис. 7.2).

Электрическая емкость такого датчика в фарадах определяется по формуле

где е0 = 85 • 10~12 Ф/м — электрическая постоянная; ег относительная диэлектрическая проницаемость; S — площадь пластин, м2; d — начальный зазор, м; х — перемещение, м. На рис. 7.2 показано направление движения при изменении координаты х и определение значения х этого перемещения.

Поскольку емкость конденсатора, согласно формуле (7.4), изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение емкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Конденсатор включается в качестве пассивного элемента в электрическую цепь, питаемую переменным током. Функцию выходной координаты датчика выполняет емкость С или емкостное сопротивление Хс конденсатора в омах:

где /— частота питающей сети, Гц.

Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора

Рис. 7.2. Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора

На рис. 7.3 приведена схема контроля линейного перемещения с подвижным диэлектриком, когда сам контролируемый объект обладает свойствами диэлектрика и имеет размеры, позволяющие вводить часть его в качестве диэлектрика между пластинами конденсатора. Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора приводит к изменению его емкости. Пластина может быть механически связана с контролируемым объектом. В этом случае изменение емкости свидетельствует о перемещении объекта.

Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком

Рис. 73. Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком

Индуктивные датчики, как и емкостные, предназначены для преобразования механического перемещения в электрическую величину — напряжение или ток.

Индуктивные датчики можно разделить на две группы:

  • • параметрические датчики с переменной индуктивностью L;
  • • генераторные датчики с переменной взаимной индуктивностью М.

Параметрические датчики с переменной индуктивностью L. Датчики первой группы представляют собой индуктивную катушку с ферромагнитным сердечником, индуктивность L которой изменяется в зависимости от перемещения одной из подвижных деталей, в результате чего изменяется воздушный зазор б в магнитопроводе индуктивной катушки (рис. 7.4, а).

У простейшего индуктивного датчика с переменным воздушным зазором (см. рис. 7.4, а) на неподвижный магнитопровод 1 намотана обмотка с числом витков w. Обмотка включается в качестве пассивного элемента в электрическую цепь, питаемую переменным током. Роль входного воздействия в данном случае играет перемещение якоря 2, которое изменяет величину воздушного зазора 5. Выходной координатой является индуктивность L или индуктивное сопротивление обмотки XL = 2n/L.

Известно, что индуктивные катушки, имеющие магнитный сердечник, из-за нелинейной характеристики намагничивания стали имеют нелинейную вольт-амиерную характеристику и генерируют в цепях, в которые они включены, высшие гармонические тока. Поэтому на практике наиболее широкое распространение получили датчики с линейными характеристиками, имеющие в магнитной цепи воздушные или, правильнее сказать, немагнитные зазоры б (см. рис. 7.4, а). В этом случае магнитное сопротивление сердечника определяется в основном магнитным сопротивлением зазоров, поэтому нелинейность магнитной характеристики стали практически не оказывает влияния на протекающий по катушке ток, который при синусоидальном напряжении также будет практически синусоидальным. Индуктивные катушки с воздушным зазором обладают практически линейными характеристиками. При номинальном токе индукцию в сердечнике выбирают в пределах 0,7—1,2 Тл.

Схема индуктивно-плоскостного преобразователя

Рис. 7.4. Схема индуктивно-плоскостного преобразователя:

а — конструкция; б — статическая характеристика;

1 — ферромагнитный сердечник; 2 — подвижный якорь

Рассмотрим, как определить индуктивность L катушки с воздушным зазором. Будем считать для упрощения, что активное сопротивление катушки равно нулю. Тогда индуктивное сопротивление XL определяется по закону Ома:

где U}, Ех и I — действующие значения напряжения, ЭДС и тока индуктивной катушки.

Индуктивность катушки представим как

где / — частота питающего напряжения.

Электродвижущую силу индуктивной катушки определим по формуле

Здесь w — число витков обмотки катушки; S — площадь поперечного сечения магнитоировода, м2; Ф,„ и Вт — максимальные значения амплитуды Ф,„ магнитного потока, Вб, и амплитуды Вт индукции, Тл, в сердечнике катушки.

Подставив выражения (7.6) и (7.8) в формулу (7.7), получим

где 1т амплитуда тока, А, который считаем синусоидальным.

Для случая когда индуктивная катушка не имеет воздушного зазора, закон полного тока для амплитудных значений напряженности магнитного ноля Нт и тока 1т записывается так:

Здесь /ср — длина средней линии магнитопровода катушки. Выразим из (7.10) амплитуду тока катушки:

где р0 = 4я-10~7 Гн/м — магнитная постоянная; цг — относительная магнитная проницаемость стального магнитопровода.

Подставив выражение (7.11) для амплитуды тока в формулу (7.9), получим выражение для индуктивности катушки без зазора:

Если же в катушке с ферромагнитным сердечником, или, как говорят, в катушке со сталью, имеется воздушный зазор б, то закон полного тока запишется следующим образом:

Здесь НСТ и Н6 напряженность магнитного поля в стали и в воздушном зазоре соответственно.

Преобразуем выражение (7.13):

В выражении (7.14) значение /(.р;. значительно меньше, чем значение 8. Поэтому им можно пренебречь, не допуская при этом большой погрешности.

Найдем из формулы (7.14) амплитуду тока:

Подставив (7.15) в (7.9), получим выражение для индуктивности L катушки с воздушным зазором 5:

Как следует из формулы (7.16), индуктивность L катушки, а значит, и ее индуктивное сопротивление X, = 2тifL обратно пропорциональны величине воздушного зазора б. Ток в катушке, обратно пропорциональный ее индуктивному сопротивлению, имеет зависимость от зазора, близкую к линейной (рис. 7.4, б).

Индуктивные датчики являются бесконтактными, так как между движущимся сердечником и обмоткой есть зазор. Благодаря этому такие датчики почти не подвержены износу. Прочный корпус позволяет эксплуатировать их в тяжелых условиях: под давлением, при высоких температурах, под водой. По принципу действия индуктивные датчики представляют собой устройства, в которых изменяется индуктивное сопротивление при изменении положения подвижной части датчика, укрепленной на перемещающемся объекте контроля.

Датчики с переменной взаимной индукцией М представляют собой трансформаторные или генераторные датчики. У датчиков этого типа обычно имеется два или более электрических контура, между которыми отсутствует электрическая связь и существует магнитная связь, причем взаимная индуктивность М изменяется в зависимости от перемещения какой-либо части устройства. Один из контуров является первичным, и к нему подводится переменное напряжение от источника питания. Во вторичном контуре наводится ЭДС, величина которой изменяется в зависимости от изменения взаимной индуктивности катушек. Выходной координатой датчиков этого типа можно считать взаимную индуктивность или напряжение U2, снимаемое со вторичной обмотки датчика при постоянном действующем значении питающего напряжения Ux на первичной обмотке трансформатора.

Дифференциально-трансформаторный датчик представляет собой трансформатор, состоящий из катушки с двумя обмотками и плунжера (рис. 7.5). Его принцип действия основан на изменении индуктивной связи катушек при перемещении плунжера, кинематически связанного с контролируемым объектом. На зажимах выходной обмотки возникает напряжение [7ИЫХ, равное разности ЭДС катушек т и w22. Значение напряжения соответствует степени смещения плунжера, фаза — его направлению. При перемещении плунжера от 50 мкм до 100 мм [/вых изменяется от 50 мВ до 10 В.

Дифференциально-трансформаторные преобразователи имеют линейную статическую характеристику (рис. 7.5, б), высокую чувствительность (до 1 мВ/мкм) и надежность.

В динамическом отношении преобразователь можно рассматривать как безынерционное устройство.

Дифференциально-трансформаторный преобразователь

Рис. 7.5. Дифференциально-трансформаторный преобразователь:

а — схема преобразователя; б — статическая характеристика

Линейный индуктосин. В качестве датчиков линейных перемещений в станках с числовым программным управлением в настоящее время применяют линейные индуктосины.

Линейный индуктосин имеет две стеклянные линейки с печатными обмотками. Одна из линеек неподвижна, а другая перемещается со столом или суппортом станка. На одной из линеек, называемой первой линейкой, на одной стороне нанесена плоская печатная однофазная обмотка из медной или серебряной фольги, изолированная от основания линейки слоем диэлектрика. Обмотка имеет вид «меандра» с постоянным шагом 2 мм. Шаг обмотки — это расстояние между серединами двух соседних поперечных проводников. На второй, более короткой, линейке, называемой головкой преобразователя, на стороне, обращенной к первой линейке, нанесены две секционированные плоские печатные обмотки из медной фольги или серебра, сдвинутые друг относительно друга на 1/4 шага и изолированные от стального основания диэлектриком. Таким образом, линейный индуктосин представляет собой воздушный трансформатор с распределенными вдоль двух линеек обмотками. Если однофазное напряжение подано на первую линейку и съем сигнала происходит с головки, то при перемещении головки относительно линейки получают два сигнала, сдвинутые друг относительно друга по фазе на 90°. Эти сигналы имеют функциональную зависимость от величины и направления перемещения головки относительно линейки. Эти аналоговые сигналы обычно преобразуются в цифровые сигналы интерфейсной платой АЦП индуктосина.

Фотоэлектрические датчики реагируют на изменение светового потока (рис. 7.6). Их применяют в качестве датчиков перемещения.

Фотоэлектрический датчик

Рис. 7.6. Фотоэлектрический датчик

В этом случае перемещающаяся деталь механизма должна пересекать путь луча света от его источника до фотопреобразователя, к которому относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Изменение освещенности приводит к изменению силы тока в электрической цепи.

В качестве материала для фотодиодов чаще всего используют германий, кремний.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >