ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Датчик перемещения это

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ • Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта.

• Они различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории — датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения (энкодеры).

ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК • Потенциометрический датчик представляет собой переменный резистор, к которому приложено питающее напряжение, его входной величиной является линейное или угловое перемещение токосъемного контакта, а выходной величиной – напряжение, снимаемое с этого контакта, изменяющееся по величине при изменении его положения.

• Потенциометрические датчики предназначены для преобразования линейных или угловых перемещений в электрический сигнал, а также для воспроизведения простейших функциональных зависимостей в автоматических и автоматических устройствах непрерывного типа.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА НЕРЕВЕРСИВНОГО ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Реостатный преобразователь

• Реостатным преобразователем называют реостат, движок которого перемещается под действием измеряемой неэлектрической величины. Естественной входной величиной реостатных преобразователей является перемещение движка, а выходной – сопротивление.

• На рисунке показано устройство реостатного преобразователя. • На каркас 1 из изоляционного материала намотана с равномерным шагом проволока 2. Изоляция проволоки на верхней грани каркаса зачищается, и по металлу проволоки скользит щетка 3. Добавочная щетка 5 скользит по токосъемному кольцу 4. Обе щетки изолированы от приводного валика 6.

Преимущества потенциометрических датчиков: • простота конструкции; • малые габариты и вес; • высокая степень линейности статических характеристик; • стабильность характеристик; • возможность работы на переменном и постоянном токе.

Недостатки потенциометрических датчиков: • наличие скользящего контакта, который может стать причиной отказов из-за окисления контактной дорожки, перетирания витков или отгибание ползунка; • погрешность в работе за счет нагрузки;

• сравнительно небольшой коэффициент преобразования; • высокий порог чувствительности; • наличие шумов; • подверженность электроэррозии под действием импульсных разрядов.

Статическая характеристика нереверсивного потенциометрического преобразователя α

• К зажимам потенциометра прикладывается переменное или постоянное напряжение U. Входной величиной является перемещение X, выходной − напряжение Uвых. Для режима холостого хода статическая характеристика датчика линейна т. к. справедливо соотношение : • Uвых=(U/R)r, где R- сопротивление обмотки; r- сопротивление части обмотки.

Учитывая, что r/R=x/l, где l - общая длина намотки, получим Uвых=(U/l)x=Kx [В], где К - коэффициент преобразования (передачи) датчика. Очевидно, что такой датчик не будет реагировать на изменение знака входного сигнала (датчик нереверсивный). Существуют схемы чувствительные к изменению знаку.

Статическая характеристика реверсивного преобразователя

Электрическая схема реверсивного потенциометрического преобразователя

Таблица. Материалы проводов, используемых для потенциометрических датчиков

Емкостные преобразователи • Емкостным датчиком называют преобразователь параметрического типа, в котором изменение измеряемой величины преобразуется в изменение емкостного сопротивления.

Области применения емкостных датчиков • Емкостные датчики применяются для контроля заполнения резервуаров жидким, порошкообразным или зернистым веществом, как конечные выключатели на автоматизированных линиях, конвейерах, роботах, обрабатывающих центрах, станках, в системах сигнализации, для позиционирования различных механизмов и т. д.

• В настоящее время наиболее широкое распространение получили датчики приближения (присутствия), которые помимо своей надежности, имеют широкий ряд преимуществ.

• Имея сравнительно низкую стоимость, датчики приближения охватывают огромный спектр направленности по своему применению во всех отраслях промышленности.

Типичными областями использования емкостных датчиков этого типа являются: • сигнализация заполнения емкостей из пластика или стекла; • контроль уровня заполнения прозрачных упаковок; • сигнализация обрыва обмоточного провода; • регулирование натяжения ленты; • поштучный счет любого вида и др.

Преимущества емкостных датчиков по сравнению с датчиками других типов • простота изготовления, использование недорогих материалов для производства; • малые габариты и вес; • низкое потребление энергии; • высокая чувствительность;

• отсутствие контактов (в некоторых случаях – один токосъем); • долгий срок эксплуатации; • потребность весьма малых усилий для перемещения подвижной части емкостного датчика; • простота приспособления формы датчика к различным задачам и конструкциям;

Недостатки емкостных датчиков • сравнительно небольшой коэффициент передачи (преобразования); • высокие требования к экранировке деталей; • необходимость работы на повышенной (по сравнению с 50 Гц) частоте.

Типы емкостных преобразователей и их конструктивные особенности • Обычно емкостный датчик представляет собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение емкости. Пренебрегая краевыми эффектами, можно выразить емкость для плоского конденсатора следующим образом:

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, заключенной между обкладками, S и d – площадь поверхности рассматриваемых обкладок и расстояние между ними соответственно.

• В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (Рисунок).

• Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами.

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ВЕЛИЧИНОЙ ЗАЗОРА

• Емкостные преобразователи могут быть использованы при измерении различных величин по трем направлениям в зависимости от функциональной связи измеряемой неэлектрической величины со следующими параметрами: • переменной диэлектрической проницаемостью среды ε; • площадью перекрытия обкладок S; • изменяющимся расстоянием между обкладками d.

• В первом случае емкостные преобразователи можно применять для анализа состава вещества, поскольку диэлектрическая проницаемость является функцией свойств вещества. При этом естественной входной величиной преобразователя будет состав вещества, заполняющего пространство между пластинами.

• Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (Рисунок ). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта.

ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ С ПОДВИЖНЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ

• Особенно широко емкостные преобразователи этого типа применяются при измерении влажности твердых и жидких тел, уровня жидкости, а так же определения геометрических размеров небольших объектов.

• В большинстве случаев практического использования емкостных преобразователей их естественной входной величиной является геометрическое перемещение электродов относительно друга.

• На основе этого принципа построены датчики линейных и угловых перемещений, приборы измерений усилий, вибраций, скорости и ускорения, датчики приближения, давления и деформации (экстензометры).

Индуктивные датчики перемещения • Индуктивные датчики применяются для преобразования в электрический сигнал небольших линейных и угловых перемещений. Простейший индуктивный датчик представляет собой катушку индуктивности 1 с железным сердечником 2 и подвижным якорем З, отделенным от сердечника воздушным зазором (рисунок).

• Катушка индуктивности с сердечником, называемая статором датчика, закрепляется неподвижно, а якорь соединяется механически с подвижной частью ОУ, перемещение которой нужно преобразовывать в электрический сигнал.

• При перемещении якоря изменяется сопротивление магнитной цепи датчика вследствие изменения воздушного зазора δ между статором и якорем (при вертикальном движении якоря) или площади воздушного зазора S (при горизонтальном движении якоря).

• Сопротивление магнитной цепи датчика складывается из сопротивления участка цепи со сталью Rст и сопротивления участка цепи с воздушным зазором Rв. Магнитное сопротивление участка цепи со сталью: Rст = Lст/(wст/Sст), • где Lст - суммарная длина средней магнитной силовой линии в стали сердечника и якоря; Sст — площадь поперечного сечения стального сердечника; wст — магнитная проницаемость материала сердечника и якоря.

Магнитное сопротивление участка цепи с воздушным зазором: • Rв = 2δ/(μв. Sв), где δ — длина воздушного зазора между статором и якорем датчика; μв - проницаемость воздуха; Sв - площадь поперечного сечения воздушного зазора.

Так как μв>>μст, то Rств сопротивление магнитной цепи датчика будет определяться в основном сопротивлением участка цепи с воздушным зазором: Rм ≈ Rв = 2δ/(μв. Sв).

• Переменный магнитный поток Ф, возникающий при подключении источника питания к катушке датчика, равен Ф = Iw/Rм , где I - ТОК в цепи катушки датчика; w - число витков катушки датчика.

Индуктивность катушки датчика (если пренебречь потоком рассеяния): L = w. Ф/I = [w 2/2δ]μS. Формула устанавливает функциональную связь между перемещением якоря индуктивного датчика (при перемещении изменяется или δ, или Sв) и индуктивностью катушки датчика.

Индуктивный датчик перемещения

КОНСТРУКЦИЯ ИНДУКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

СТАТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИНДУКТИВНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 1 – с изменяющимся зазором δ ; 2 - с изменяющейся площадью зазора Sв.

У индуктивных датчиков с изменяющимся воздушным зазором статическая характеристика L=f(x) нелинейная (рисунок, график 1) и при больших зазорах (δ > 1 мм) чувствительность датчика уменьшается. Такие датчики используют при ограниченном диапазоне перемещения якоря – до 1 мм.

Начальная рабочая точка выбирается в области характеристики, где она имеет наибольшую крутизну и приближается к линейной чувствительность датчиков с изменяющимся воздушным зазором высокая – до 0, 2 мкм.

У индуктивных датчиков с изменяющейся площадью воздушного зазора статическая характеристика L=f(Sв) линейная, диапазон перемещения якоря шире — до 8 мм, но чувствительность меньше - до 0, 3 мкм (рисунок, график 2).

Изменение индуктивности катушки датчика L приводит к изменению ее индуктивного сопротивления: ХL = ωL, где ω - круговая частота питающего напряжения.

•

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ • Простейший трансформаторный преобразователь изображен на рисунке. Якорь этого преобразователя может перемещаться вертикально, либо поворачиваться горизонтально.

• Принцип работы трансформаторных преобразователей основан на изменении взаимной индуктивности между обмоткой питания и генераторной обмоткой. Изменение положения якоря приводит к изменению сопротивления магнитной цепи.

• Наиболее часто трансформаторные преобразователи выполняются по дифференциальной схеме. Трехстержневой ТП состоит из подвижного ротора 1, статора 2 с первичной обмоткой W 1 и двумя вторичными обмотками W 2, соединенными встречнопоследовательно.

• Первичная обмотка создает магнитный поток Ф 0 , составляющие которого Ф 1 и Ф 2 перераспределяются примерно пропорционально площадям перекрытия ротором крайних стержней.

• Потоки Ф 1 и Ф 2 наводят во вторичных обмотках ЭДС, которые в силу встречного соединения вычитаются, следовательно, в среднем положении ротора и симметричной конструкции выходной сигнал равен нулю.

Дифтрансформаторный преобразователь перемещения

Преимущества трансформаторных преобразователей перемещения • Основным преимуществом трансформаторных преобразователей является отсутствие гальванической связи между цепями питания и выхода, а также возможность получения выходного сигнала большей величины, чем питающее напряжение.

Недостатки трансформаторных преобразователей перемещения 1. Влияние магнитного сопротивления стали; 2. Непостоянство величины и площади зазора между стержнями вдоль их длины; 3. Неравномерность намотки измерительной обмотки, сказывающаяся наиболее сильно в начальной части характеристики; .

4. Влияние собственной температуры на активную составляющую сопротивления обмотки, размеры зазора и магнитное сопротивление стали; 5. Влияние поперечных смещений сердечника

ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ • Тензометрический измерительный преобразователь – параметрический резистивный преобразователь, который преобразует деформацию твердого тела, вызванную приложенным к нему механическим напряжением, в электрический сигнал.

• Тензорезисторы используются для измерения деформации в твердых телах. На их основе строят датчики веса, давления, силы, перемещения, момента, ускорения, вибрации, натяжения, крутящего момента, остаточных напряжений в механических конструкциях и деталях машин после их обработки и т. д.

• Резистивный тензодатчик представляет собой основание с закрепленным на нем чувствительным элементом. Принцип измерения деформаций с помощью тензометрического преобразователя состоит в том, что при деформации изменяется активное сопротивление тензорезистора.

ДЕФОРМАЦИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА ПРИЛОЖЕННОЙ СИЛОЙ.

•

• При приложении к телу растягивающей силы F (рисунок) происходит деформация: увеличивается длина тела на ∆L и уменьшается площадь поперечного сечения на ∆S. У большинства тел изменяется также удельное сопротивление на величину.

• Тензометрический измерительный преобразователь конструктивно представляет собой тензорезистор, чувствительный элемент которого выполнен из тензочувствительного материала (проволоки, фольги и др. ), закрепленный с помощью связующего (клея, цемента) на исследуемой детали (Рисунок 1).

• Очень тонкий провод или, более часто, металлическая фольга, сформирована в виде змейки (рисунок) и нанесена на подложку (носитель), которая непосредственно приклеивается к испытываемому телу. Типовая длина тензодатчиков колеблется от 0, 2 мм до 10 см.

Структура металлического тензодатчика.

• Для присоединения чувствительного элемента в электрическую цепь в тензорезисторе имеются выводные проводники. Некоторые конструкции тензорезисторов для удобства установки имеют подложку, расположенную между чувствительным элементом и исследуемой деталью, а также защитный элемент, расположенный поверх чувствительного элемента.

• Змеевидная структура датчика обеспечивает большое относительное изменение длины фольги вдоль датчика и очень малое изменение при растяжении датчика в поперечном направлении.

• Серийные тензодатчики имеют сопротивление от 30 Ом до 3 к. Ом при типовых значениях 120 Ом, 350 Ом и 1 к. Ом. Материалом для тензорезисторов служит константан (45% Ni, 55% Cu), платина и ее сплавы, нихром (80% Ni, 20% Cr), манганин (84% Cu, 12% Mn, 4% Ni), никель и др.

Измерения с помощью тензодатчиков • Чтобы измерять малое изменение сопротивления и скомпенсировать температурную погрешность, тензодатчики практически всегда используют в мостовой схеме (мост Уитстона, рисунок), подключенной к источнику напряжения или тока (источнику питания моста).

Мост Уитстона с источником напряжения.

ДОСТОИНСТВА ТЕНЗОДАТЧИКОВ: • малые габариты и вес; • малоинерционость, что позволяет применять тензодатчики как при статических, так и при динамических измерениях; • обладают линейной характеристикой;

• позволяют дистанционно и во многих точках проводить измерения; • способ установки их на исследуемую деталь не требует сложных приспособлений и не искажает поле деформаций исследуемой детали. НЕДОСТАТОК заключается в температурной чувствительности тензодатчика.