Разрешающая способность этого датчика равна 1 страница

.

 

2.3.7. Локационные датчики (ЛД)

 

ЛД предназначены для измерения расстояний до объектов, скорости движения и их размеров, обнаружения препятствий, а также для определения зазоров, перекосов, проскальзований, внутренних дефектов, толщины материала, твердости, механических напряжений, площади, ориентации относительно заданной точки.

Методы измерения дальности, используемые в ЛД:

∙ Акустический (ультразвуковой на частоте менее 20 кГц);

∙ Магнитный;

∙ Оптический (обнаруживают объекты по отраженному свету, например лазерные дальномеры);

∙ Радиационный;

∙ Радиоволновой;

∙ Тепловой;

∙ Электромагнитный;

∙ Пневматический.

Далее рассматриваются в качестве примеров локационные датчики, получившие широкое распространение в промышленных системах автоматизации.

Ультразвуковые ЛД (УЛД)

УЛД использует способность ультразвуковых волн (частота меньше 20 кГц) распространяться в твердых, жидких и газообразных средах с отражением от неоднородностей сред.

Схема УЛД представлена на рис. 2.32. Датчик работает следующим образом: генератор 1 вырабатывает импульсы f = 35 кГц, которые через коммутатор 2 (переключатель режима излучения в режим приема ультразвуковых импульсов) поступают в излучатель и передаются излучателем на объект. Отраженные от объекта импульсы воспринимаются микрофоном М и через коммутатор 2 передаются в усилитель-формирователь 4. В преобразователе 5 их сравнивают по фазе с излучаемыми импульсами и определяют время Δ t прохода импульсом расстояния 2 L. Расстояние до объекта вычисляется по уравнению , где V – скорость распространения ультразвука в среде.

УЛД обеспечивают измерение перемещений с погрешностью 2 % в диапазоне 2–2000 м в воздухе, 0,5–10⁴ м в жидкости, измерение скорости с погрешностью 2 % менее 2 мм/с в воздухе, менее 10 мм/с в жидкости. Недостаток УЛД состоит в том, что они не могут измерять расстояния до звукопоглощающих объектов (пористая резина, ткань и др.).

Лазерные дальномеры (ЛЗД)

ЛЗД используют метод оптической локации.

Они определяют время прохождения или сдвиг по фазе прямого и отраженного световых импульсов. ЛЗД могут использовать режим импульсного излучения (расстояние до объекта определяют по числу импульсов, поступивших в счетчик за время между прямым и отраженным импульсами), либо режим непрерывного излучения (рис. 2.33): расстояние до объекта оценивается по разности Δφ излучаемого и отраженного лучей.

При импульсном излучении лазера вместо фазометра используется счетчик импульсов.

ЛЗД обладают высокой точностью и разрешением, но сложны и громоздки, не могут работать при появлении преград для луча.

Радиолокационные дальномеры (РЛД)

РЛД работают на сверхвысоких частотах (около 4 ГГц), измеряя дальность до 1500 м с погрешностью до 10 %. Расстояние оценивают по времени задержки отраженного радиосигнала относительно прямого.

РЛД не чувствительны к шуму, вибрации, запыленности, влажности, но стоят дорого. Могут работать через непрозрачное неметаллическое окно.

 

 

Рис. 2.32. Ультразвуковой ЛД

 

 

 

Рис. 2.33. Лазерный дальномер: 1 – лазерный излучатель; 2 – фотоприемник отраженного импульса; 3 – видеоусилитель; 4 – фазометр (измеряет Δφ – разность фаз излучаемого и отраженного импульса)

 

2.4. Датчики скорости

 

В системе измерения СИ используют термины:

· угловая скорость ;

· частота вращения ,

где – угловое перемещение объекта за время t.

В технической литературе часто используют термин «скорость вращения», представляющий собой число оборотов вала за одну минуту. Линейную скорость измеряют теми же датчиками скорости вращения, учитывая при этом радиус R преобразователя вращательного движения в поступательное движение объекта:

,

 

где – коэффициент преобразования датчика; n – частота вращения, 1/мин.

Приборы, измеряющие частоту вращения, получили название тахометры.

Датчики скорости (ДС) – это устройства, предназначенные для измерения частоты вращения, угловой или линейной скорости движения объекта. ДС классифицируют по ряду признаков, в частности:

· по виду выходного сигнала – аналоговые и цифровые;

· по типу чувствительного элемента – тахогенераторные, магнитоиндукционные, импульсные.

Выходными сигналами аналоговых ДС являются напряжение или ток, а цифровых ДС – цифровой код частоты вращения, определяемый количеством импульсов ЧЭ за заданное время измерения.

Тахогенераторные ДС представляют собой малые электрические машины переменного или постоянного тока, роторы которых жестко связаны с объектом. Эти ДС не требуют питания – они потребляют энергию от объекта.

Магнитоиндукционные и импульсные ДС имеют бесконтактную связь с объектом (индукционную или оптическую) и работают практически без затрат энергии от объекта.

Ниже рассматривается устройство и принцип действия наиболее распространенных датчиков скорости.

 

2.4.1. Тахогенераторные ДС

 

Тахогенератор постоянного тока (рис. 2.34) представляет собой электромашинный генератор постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, преобразующий частоту вращения n вала в электрическое напряжение постоянного тока:

 

,

где – коэффициент преобразования датчика.

К достоинствам тахогенераторов постоянного тока относится реверсивная линейная характеристика , а к недостаткам – наличие щеток (малая надежность) и погрешности измерения, обусловленной старением постоянных магнитов.

Синхронный тахогенератор (рис. 2.35) представляет собой малую электрическую машину, ротор которой выполнен в виде постоянного магнита, а на статоре расположена обмотка, в которой при вращении ротора генерируется ЭДС. Выходное напряжение тахогенератора имеет переменные значения амплитуды и частоты, линейно зависимые от частоты вращения ротора:

 

,

 

где – амплитуда выходного напряжения; – круговая частота выходного напряжения; – коэффициенты преобразования датчика по амплитуде и частоте выходного напряжения соответственно; – число пар полюсов.

Достоинством синхронного генератора является простота конструкции и высокая надежность работы. Однако схема датчика существенно усложняется, если требуется определить не только скорость, но и направления движения.

 

 

Рис. 2.34. Схема (а) и статическая характеристика (б) тахогенератора постоянного тока

 

 

 

 

Рис. 2.35. Синхронный тахогенератор: R _н – сопротивление нагрузки

 

2.4.2. Магнитоиндукционные датчики

 

Датчик ДМ-2 (рис. 2.36) не имеет механической связи с объектом, в нем нет подвижных частей. Датчик представляет собой катушку с сердечником, размещенную внутри постоянного магнита цилиндрической формы.

При вращении или линейном движении ФМ (шестерни редуктора, специального барабана с металлическими стержнями, роликов цепи и т.п.) изменяется магнитный поток вследствие изменения магнитного сопротивления в магнитной цепи датчика, что вызывает появление ЭДС на выходе катушки:

,

где – скорость изменения магнитного потока, пропорциональная частоте вращения ФМ (скорости изменения магнитного сопротивления); W – число витков катушки.

 

Рис. 2.36. Магнитоиндукционный датчик скорости: 1 – сердечник; 2 – катушка; 3 – металлическая пластина; 4 – постоянный магнит; 5 – переменная ферромагнитная масса ФМ объекта

 

Зависимость является нелинейной и может быть в ограниченной зоне линеаризована, а частота ЭДС датчика прямо пропорциональна n. Поэтому в системах автоматики часто используют датчик ДМ-2 в качестве чувствительного элемента с последующим преобразованием его сигнала в последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности, частота которых имеет линейную зависимость от скорости движения объекта.

 

2.4.3. Цифровые датчики скорости

 

Цифровые ДС преобразуют угловую или линейную скорость движения объекта в цифровой код. Они обладают более высокой точностью измерения по сравнению с аналоговыми, могут быть непосредственно связаны с цифровыми управляющими устройствами, достаточно просто позволяют решать задачи определения направления движения объекта и локальной индикации, регистрации и сигнализации.

В общем случае структура цифрового ДС может быть представлена схемой (рис. 2.37).

 

 

 

 

Рис. 2.37. Обобщенная структура цифрового датчика скорости

 

На схеме обозначено:

ИЭ – импульсный (чувствительный) элемент датчика;

ИЦП – импульсно-цифровой преобразователь;

n – частота вращения (угловая или линейная скорость движения объекта);

– частота выходных импульсов ИЭ;

N – цифровой код скорости.

В качестве примера ниже представлен цифровой ДС с фотоэлектрическим чувствительным элементом (рис. 2.38).

При вращении диска 1 световой поток, воспринимаемый ФД, пульсирует. Частота электрических импульсов, образующихся на выходе каналов 1, 2 и ЛЭ, определяется выражением

 

,

где М – информационная емкость диска (количество отверстий на одной дорожке); n – частота вращения объекта (например, вала электродвигателя).

 

 

Рис. 2.38. Структурная схема цифрового датчика скорости: 1 – кодовый диск с отверстиями, которые равномерно расположены на двух концентрических дорожках и сдвинуты относительно друг друга на ¼ шага; СД, ФД – свето- и фотодиоды; Ус – усилитель; ТШ – триггер Шмитта, формирующий импульсы прямоугольной формы; ЛЭ – логический элемент, определяющий знак скорости; СИ – счетчик импульсов, обеспечивающий импульсно-цифровое преобразование; ГТИ – генератор тактовых импульсов, формирующий время счета измерительных импульсов; – последовательности счетных импульсов, формируемые импульсными каналами 1, 2 и сдвинутые по фазе на 90 эл. градусов.

 

Выходной цифровой сигнал датчика определяется как произведение частоты счетных импульсов и времени измерения

 

N = fT = MTn = k_n n,

где М – количество отверстий на концентрической дорожке кодового диска; Т – время счета измерительных импульсов, равное полупериоду тактовых импульсов; k_n = МТ – коэффициент преобразования (чувствительности) датчика.

Знак скорости определяется ЛЭ по знаку сдвига фазы между импульсами U ₁ и U ₂: при движении вперед импульсы U ₁ опережают импульсы U ₂ на 90 эл. градусов, а при движении назад – наоборот, отстают на 90 эл. градусов.

Относительная погрешность измерения скорости цифровым ДС, обусловленная дискретностью процесса измерения, равна

,

где – шаг измерения

Анализ погрешности показывает, что ее значение тем меньше, чем больше параметры М, Т, а также частота вращения. При измерении малых скоростей, описанным выше способом погрешность столь велика, что в ряде случаев требует иного подхода: счетчик переключается на подсчет количества тактовых импульсов за период следования измерительных импульсов.

 

2.5. Датчики усилий

Для измерения усилий в объектах автоматизации наибольшее применение нашли магнитоупругие (МДУ) и тензометрические (ТДУ) датчики.

В МДУ в качестве чувствительных элементов используются магнитоупругие преобразователи (МУП). В МУП для преобразования механической силы в электрическую величину используется так называемый магнитоупругий эффект. Ферромагнитные тела имеют области самопроизвольного намагничивания (домены). В ненамагниченном состоянии тела домены ориентированы хаотично и магнитные моменты доменов компенсируют друг друга. В магнитном поле домены ориентируются в его направлении, что вызывает увеличение магнитной индукции В.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменяют свою ориентацию, вызывая изменение индукции в материале. Это явление имеет упругий характер: если снять силу, то индукция примет прежнее значение.

Поскольку магнитная проницаемость вещества , то при заданной напряженности поля Н изменение индукции эквивалентно изменению магнитной проницаемости ферромагнитного тела.

Изменение магнитной индукции или проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рис. 2.39. Индуктивный МУП

 

Различаются по принципу действия индуктивные и трансформаторные МУП. Индуктивные МУП представляют собой ферромагнитный сердечник с катушкой на нем (рис. 2.39). Под действием силы F изменяется магнитная проницаемость сердечника µ, вызывая изменение индуктивности катушки в соответствии с выражением

,

где W – число витков катушки; S – сечение сердечника; – длина магнитопровода.

 

Индуктивные МУП включаются в дифференциальную мостовую измерительную схему с питанием моста от феррорезонансного стабилизатора напряжения. При использовании индуктивного МУП для порогового контроля заданной величины усилия его катушку подключают последовательно с обмоткой электромагнитного реле к источнику переменного напряжения.

Рис. 2.40. Трансформаторный МУП

 

В трансформаторных МУП (рис. 2.40) имеются две обмотки, расположенные на общем сердечнике. На обмотку W 1 подается питание, а с измерительной обмотки W 2 снимается выходное напряжение U _вых. В этом преобразователе под действием измеряемой силы F изменяется взаимная индуктивность (взаимоиндукция) М между обмотками , вызывая пропорциональное изменение ЭДС измерительной обмотки.

Наибольшую чувствительность имеют железоникелевые сплавы. Лучшими метрологическими характеристиками обладает магнитоизотропный трансформаторный МУП: при F = 0 магнитная проницаемость сердечника одинакова во всех направлениях. Преобразователь (рис. 2.41) содержит пакет пластин, имеющих 4 отверстия, в которые уложены обмотки W 1 и W 2. Обмотки расположены под углом 45° к направлению измеряемой силы и под углом 90° друг к другу.

При F = 0 магнитное поле, создаваемое обмоткой W1, направлено параллельно виткам обмотки W 2 и ЭДС в ней не индуцируется. Под действием F изменяется магнитная проницаемость сердечника (магнитное поле деформируется), теперь магнитный поток, показанный на рис. 2.41 сплошными линиями, пронизывает измерительную обмотку и в ней индуцируется ЭДС, пропорциональная измеряемому усилию.

 

Рис. 2.41. Магнитоизотропный МУП

 

В тензометрических датчиках усилий в качестве чувствительного элемента используются проволочные или полупроводниковые резисторы, называемые тензорезисторами. Принцип их действия заключается в изменении активного сопротивления при деформации под действием измеряемого усилия упругого элемента, на который приклеиваются тензорезисторы.

Проволочный тензорезистор (рис. 2.42) состоит из подложки 1 (бумага, пленка), на которую наклеена тонкими витками нихромовая проволока 2, и выводов 3 для подключения в измерительную схему. Активное сопротивление тензорезистора определяется выражением , где – удельное сопротивление материала проволки; – длина и сечение проволки.

 

Рис. 2.42. Проволочный тензорезистор

 

На упругий элемент тензорезистор должен приклеиваться так, чтобы направление его продольной оси совпадало с направлением измеряемой силы.

В этом случае при деформации упругого элемента в наибольшей степени изменяется длина проволоки тензорезистора и пропорционально ей изменяется его активное сопротивление.

Коэффициент чувствительности тензопреобразователя равен отношению относительного приращения сопротивления к относительной деформации проволоки Е: .

Относительная деформация проволоки равна относительной деформации упругого элемента, определяемой выражением , где – коэффициент, определяемый параметрами упругого элемента.

Для проволочных тензорезисторов коэффициент чувствительности К 2, для полупроводниковых К . Однако последние весьма чувствительны к изменению температуры.

Тензорезисторы включают в дифференциальную мостовую схему с последующим усилением выходного сигнала моста. Один из вариантов использования тензорезисторов для измерения усилия представлен на рис. 2.43.

 

Рис. 2.43. Расположение тензорезисторов на упругом элементе (а), мостовая измерительная схема с выходным усилителем (б) и статическая характеристика тензорезисторного датчика усилия (в)

В исходном состоянии мост уравновешен: потенциалы точек а и б равны и сигнал на выходе моста U _м = U _а – U _б = 0. При деформации упругого элемента силой F баланс моста нарушается и на выходе его появляется напряжение, пропорциональное величине F.

2.6. Датчики крутящего момента

 

Датчики крутящего момента (ДКМ) используются для преобразования моментов, действующих на рабочих валах машин, в электрические сигналы.

По типу чувствительного элемента ДКМ могут быть тензометрическими, магнитоупругими и датчиками Холла. Чувствительным элементом тензометрических датчиков момента является упругий (торсионный) вал, который вводится в разрыв силовой цепи рабочего вала (рис. 2.44). Упругий вал под действием приложенного к нему момента закручивается. Возникающие при этом деформации воспринимаются тензорезисторами моста ТМ, приклеенными к измерительному валу под углом 45° к его продольной оси.

Напряжение питания к мосту и измерительный сигнал с него передаются через контактные кольца и щетки. На выходе усилителя формируется сигнал, пропорциональный крутящему моменту U _вых = kМ, где k – коэффициент преобразования датчика.

Сужение торсионного вала способствует измерению малых крутящих моментов с высокой точностью, так как при этом достигаются достаточные деформации (повышается чувствительность датчика).

Если в силовую кинематическую цепь нельзя ввести торсионный вал, то тензорезисторы наклеивают прямо на рабочий вал и используют бесконтактную передачу сигналов, применяя индуктивную связь для передачи питания и емкостную связь для съема сигнала измерения. Такой датчик является сложным и не обеспечивает высокой точности измерения.

Магнитоупругие ДКМ являются бесконтактными, их применение особенно эффективно для непрерывного контроля моментов, так как они практически работают без износа и без обслуживания по сравнению с тензометрическими ДКМ с контактной передачей сигналов.

 

Рис. 2.44. Тензометрический ДКМ с контактной передачей сигналов: 1, 4 – ведомый и ведущий рабочие валы; 2 – торсионный вал (упругий элемент); 3 – контактное кольцо со щеткой; М1, М2 – соединительные муфты; ТМ – тензометрический мост; М – крутящий момент

 

В магнитоупругих ДКМ используется свойство ферромагнитных материалов изменять свою магнитную проницаемость в направлении воздействия на них сил растяжения или сжатия (магнитоупругий эффект).

В магнитоупругом ДКМ (рис. 2.45) вокруг вращающегося рабочего стального вала расположены кольцевые полюса магнитных систем, снабженных обмотками. Ток обмотки возбуждения создает на поверхности вала переменное магнитное поле, которое при ненагруженном вале располагается симметрично между полюсами N и S (рис. 2.46), и выходное напряжение датчика равно нулю.

 

 

Рис. 2.45. Магнитоупругий преобразователь момента: W _в – обмотка возбуждения (первичная обмотка); W 1, W 2 – измерительные обмотки (вторичные обмотки)

 

 

Вторичные обмотки W 1 и W 2 сдвинуты на 90° относительно полюсов обмотки возбуждения и соединены встречно.

 

 

Рис. 2.46. Магнитное поле на поверхности вала: а – симметричное при ненагруженном вале (М = 0); б – несимметричное (деформированное) при нагружении вала некоторым моментом

 

При нагружении вала изменяется магнитная проницаемость, магнитное поле деформируется, нулевая эквипотенциальная линия отклоняется от соосного с обмотками W 1, W 2 положения пропорционально величине и знаку момента (рис. 2.46, б). Под действием разности магнитных потенциалов во вторичных обмотках W 1, W 2 возбуждаются разные по величине напряжения – на выходе датчика появляется напряжение U _вых = U ₁– U ₂, пропорциональное измеряемому моменту.

Магнитоупругие ДКМ позволяют измерять момент с точностью 2 % при максимальной частоте вращения вала до (10÷15) ^. 10 об/мин и частоте изменения момента до 250 Гц.

Датчики момента на основе эффекта Холла в качестве чувствительного элемента содержат полупроводниковую пластину с протекающим по ней током І, размещенную в магнитном поле с индукцией B так, что направление тока в пластине перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 2.47).

 

 

Рис. 2.47. Иллюстрация эффекта Холла

 

На поверхности пластины возникает поперечное электрическое поле Е, пропорциональное произведению плотности магнитного потока и силе электрического тока:

Е = –R _н ІB,

где R _н = 1 /ne – коэффициент Холла; n – число зарядов, протекающих через единицу объема и образующих электрический ток в пластине; e – заряд носителя.

Использование эффекта Холла для измерения крутящего момента электродвигателей основывается на том, что их электромагнитный момент пропорционален произведению магнитного потока и тока. При постоянном магнитном потоке момент электродвигателя можно измерить при помощи датчика тока, выполненного на эффекте Холла.

2.7. Датчики вибраций

 

Вибрация – это механическое колебание объекта. Колебательный процесс может быть детерминированным (описывается определенным математическим законом) и стохастическим (беспорядочным), который не описывается математической функцией, а определяется случайной последовательностью различных причин.

В большинстве случаев вибрации являются нежелательным явлением (шумом), часто накладывающимся на закономерный процесс движения. В этом случае требуется защита объекта от чрезмерных вибраций. Однако в ряде случаев вибрации полезны и их создают принудительно, как это делается, например, в вибропитателях, обеспечивающих транспортировку материала из бункеров.

Вибрации могут возникать как при поступательном, так и при вращательном движении. Вибрации при поступательном движении описываются следующими механическими параметрами:

· виброперемещение х (t), мм;

· виброскорость dх/dt, мм/с;

· виброускорение d ² х/dt ², мм/с².

 

Угловые колебания характеризуются угловыми виброперемещением (рад), виброскоростью (рад/с), виброускорением (рад/с²).

Параметры вибраций могут быть измерены при помощи соответствующих вибропреобразователей (ВП) относительного или абсолютного перемещения. Первые ВП измеряют параметры колебаний объекта относительно внешней неподвижной опорной точки. Однако их применение на станках, машинах, зданиях, судах и т.п. либо невозможно, либо затруднено. В этих случаях используют преобразователи абсолютных перемещений, широко применяемые в сейсмотехнике. Они позволяют измерять вибрации в определенных диапазонах частот с помощью внутренних колебательных систем, встроенных в объект, используя так называемую «сейсмическую массу».