Датчики положения вала или кодеры поворота (shaft encoders) – это цифровые датчики для измерения угла поворота и угловой скорости. Они применяются во всех системах, где нужна точная информация о параметрах вращательного движения, – например, станки, роботы, сервосистемы и электропривод. Существуют датчики относительного (incremental) и абсолютного (absolute)типов.
Датчик относительного типа состоит из светодетектора или магнитного датчика, например геркона, который генерирует последовательность импульсов при вращении объекта; поворот на 360° соответствует одному или более импульсам. Затем последовательность импульсов обрабатывается и преобразуется в угол поворота и угловую скорость объекта.
Датчик абсолютного типа выдает угол поворота объекта в двоичном коде. Оптический датчик состоит из диска с прорезями и светонепроницаемыми участками, причем каждая прорезь уникальна и соответствует определенному углу поворота. Источник света освещает одну сторону диска, а на другой стороне блок датчиков фиксирует световой шаблон (т. е. через какие прорези свет проходит, а через какие – нет), которому соответствует цифровое значение угла поворота. Кодирование обычно осуществляется на основе модифицированного двоичного алгоритма, чтобы минимизировать ошибки смещения фотоэлектрических датчиков относительно прорезей в диске. Эта простая технология обеспечивает высокие разрешение (которое определяется числом прорезей на градус углового смещения или на оборот диска) и точность, а также хорошую помехоустойчивость при передаче сигналов, поскольку не требует аналого-цифрового преобразования.
3.7. Аналоговые датчики
Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входной порт компьютера. Поскольку характеристики выходного сигнала датчика и последующего каскада довольно часто отличаются друг от друга, то для передачи сигнала между ними должна использоваться некоторая согласующая цепь. Термин «согласующая цепь» (conditioning circuitry) является довольно общим и может обозначать любой набор электронных компонентов между измерительной головкой датчика и обрабатывающим устройством. Нельзя точно определить границу между электроникой измерительного преобразователя и последующими согласующими цепями – каждый раз она может трактоваться по-своему.
Большинство датчиков с преобразователем, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении измеряются следующие физические величины:
- электрические и магнитные характеристики;
- параметры движения;
- сила, момент и давление;
- температура;
- уровень заполнения емкости;
- расход;
- плотность, вязкость и консистенция;
- концентрация (газа, жидкости, растворенных и взвешенных веществ);
- химическая или биохимическая активность.
Ниже представлен краткий обзор аналоговых датчиков, обычно используемых в системах управления. Измерение электрических величин – тока, напряжения, сопротивления, магнитного поля, излучения и мощности – краеугольный камень измерительных технологий. Для большинства типов измерений серийно выпускаются измерительные головки, датчики, включающие согласующие цепи и даже интегрированные устройства со встроенными аналогово-цифровыми преобразователями и средствами передачи данных.
3.8. Датчики движения
Датчики движения (motion sensors) измеряют четыре кинематические величины:
- перемещение (изменение положения, расстояния, степени приближения, размера);
- скорость (включая угловую);
- ускорение;
- удар.
Каждая из этих величин является производной по времени от предшествующей. Теоретически можно измерить только одну из них и затем получить остальные дифференцированием или интегрированием. На практике, однако, такой подход неприемлем из-за природы сигнала (постоянный, переходный и т. д.), частотного спектра, шумов и возможностей средств обработки данных.
Контроль параметров движения обязателен для приложений, в которых используется механическое оборудование – сервосистемы, роботы, электроприводы или другие манипуляторы. Измерение перемещений применяется при управлении положением клапанов. Толщина пластин в прокатном стане постоянно контролируется системой управления калибровкой. Датчики
деформаций – это устройства, которые измеряют механическое напряжение, давление и силу, но могут применяться и для измерения перемещений. В системах мониторинга состояния и предупреждения отказов механического оборудования широко используются акселерометры.
Для измерения параметров движения применяются следующие типы устройств:
- потенциометры для измерения перемещений; они работают как переменные резисторы;
- датчики на основе принципа электромагнитной индукции, например дифференциальные трансформаторы, резольверы, синхротрансформаторы (сельсины);
- емкостные датчики для измерения малых перемещений, вращении и уровней жидкости;
- пьезоэлектрические датчики для измерения давления, напряжения, ускорения, скорости, силы и момента (пьезоэлектрический материал деформируется под действием приложенной разности потенциалов или вырабатывает разность потенциалов при механическом воздействии);
- лазерные датчики для точного измерения малых перемещений;
- ультразвуковые датчики для измерения расстояний в медицинских приборах, системах автофокусировки фото- и телекамер, измерения уровня и скорости.
Вопросы для самоконтроля:
1. С какой целью используются бинарные датчики?
2. Для чего применяются концевые выключатели?
3. Почему контакты механических выключателей некоторое время вибрируют (дребезжат), прежде чем замкнуться?
4. Как можно бороться с дребезжанием контактов в переключателях
5. Опишите конструкцию ртутных выключателей.
