Измерение датчики кругового перемещения

Обзор датчиков перемещения

Нахождение на охраняемой территории постороннего лица можно зафиксировать различными приборами. Нередко для этой цели используется датчик линейного перемещения, который некоторые называют датчиком движения. Подобные приборы могут иметь различный принцип работы и внешний вид. Однако их объединяет общий результат: когда в зоне их действия начинают перемещаться какие-либо объекты, они отправляют управляющий сигнал на приемное устройство, оповещая об этом пользователя. Каждый вид имеет свои отличительные особенности. Стоит обязательно познакомиться с характеристиками и особенностями каждой из существующих разновидностей, чтобы выбрать наилучший вариант в зависимости от преследуемых целей.

Основные виды

Датчики линейного перемещения могут существенно отличаться по конструктивным особенностям и принципу работы. Производители предлагают различные устройства, каждое из которых ориентировано на эксплуатацию в определенных условиях. Они бывают:

емкостные. Самый простой вариант. Отличается продуманным исполнением, надежностью и доступностью. Для определения факта движения используется измерение зазора между пластинами либо изменение пространственного положения последних относительно друг друга. Изменение положение способствует изменению зоны перекрытия. Она может либо увеличиться, либо уменьшиться. Для повышения производительности и более активной передачи данных некоторые модели оснащаются генераторами импульсов. При их наличии данные передаются с большей скоростью. Емкостные модели часто используются в качестве источника сигнала в резервуарах с топливом. Они выполняют роль бесконтактного выключателя, сигнализирующего о начале рабочего хода и сообщающие об его завершении;
индукционные. Управляющий сигнал формируется в результате изменения индуктивности обмотки. Привлекают высокой точностью получаемых результатов при относительно небольших габаритных размерах. Не предъявляют особых требований к месту установки прибора. Способны работать в любом пространственном положении. Чаще всего индуктивные датчики перемещения устанавливаются на станках, оснащенных программным обеспечением;
оптические. По принципу работы подобные приборы близки к обычному лазерному дальномеру. Позволяют проконтролировать относительно небольшие перемещения. Часто входят в состав охранных систем. Используется как лучевой барьер. Практичен в использовании. Отличается повышенной точностью. Обходится достаточно дорого;
ультразвуковые. Это своеобразные радары, в процессе эксплуатации которых формируются ультразвуковые волны. Столкнувшись с движущейся в зоне действия устройства объектом, ультразвуковая волна возвращается в приемник контроллера и фиксируется. Характеристики отраженной волны позволяют понять, в каком месте находится объект, какие у него параметры;
вихретоковые. В состав подобных приборов входит специальный регистратор с генератором магнитного поля. В процессе эксплуатации регистратором фиксируется величина индукции магнитного поля. Если в зоне действия вихретоковых датчиков перемещения оказывается посторонний объект, возникает побочное магнитное поле, формируемое под действием вихревых токов. В результате взаимодействия побочных магнитных потоков с исходными величина индукции поля изменяется. Даже незначительное отклонение фиксируется с помощью регистратора. По величине изменения удается определить местоположение объекта;
магниторезистивные. Устройство оснащается специальными пластинами, параметры которых меняются под действием магнитного поля. Подобный датчик линейного перемещения подключается по специальной схеме, называемой «мостом». Изменение индукции в окружающем пространстве приводит к изменению сопротивления пластин. Элемент, изготовленный из ферромагнитного материала и связанный с движущимся объектом, постепенно перемещается в пространстве, влияя на величину индукции. По изменившемуся значению определяют местоположение объекта;
потенциометрический. Относится к самым простым контроллерам движения. В его состав входит потенциометр, содержащий регулятор, связанный с движущейся целью, и источник сигнала. Изменение положение ручки потенциометрического датчика изменяет на переменном резисторе разность потенциалов. По данному значению определяют расстояние до объекта;
магнитострикционный. В основу работы устройства данного вида положен эффект магнитострикции, заключающийся в изменении габаритов и объема тела при изменении величины намагниченности. Для реализации данного эффекта в состав прибора введены регистры, состоящие из трубки (волновода), по которому перемещается кольцеобразный магнит. Внутрь трубки помещен провод, соединенный с регистром импульсов и генератором. В процессе эксплуатации устройства происходит сложение полей: генерируемого проводником и создаваемого самим магнитом. Суммарное поле заставляет трубку вращаться, в результате чего она формирует импульсы вращения, поступающие на вход регистратора. Расстояние до кольца определяется по задержке, образующейся между отправлением электроимпульса и приходом импульса от волновода. О расстоянии до перемещающегося объекта говорит положение магнита;
на основе эффекта Холла. По своему принципу функционирования такой датчик линейного перемещения похож на магниторезистивный. Используемый эффект предполагает изменение напряжения проводника в тот момент, когда по нему подается электроток. Их главным преимуществом является стойкость к механическому воздействию и колебанию параметров окружающей среды. Это существенно расширяет возможную область использования.

Преимущества и недостатки

Плюсы и минусы чаще всего оцениваются для конкретной модели. Однако есть общие достоинства и недостатки, характерные для датчиков, независимо от их устройства и принципа действия.

К преимуществам стоит отнести:

Высокую чувствительность. Бывает сложно настроить прибор, чтобы он не реагировал на домашних животных. Датчик срабатывает при наличии незначительного перемещения в выбранной зоне. За счет этого повышается точность обработки или увеличивается степень защищенности охраняемого объекта;
Незначительное энергопотребление. Не стоит опасаться больших счетов на электроэнергию при установке одного или нескольких приборов в доме. Всегда можно подобрать модель с минимальной мощностью при сопоставимых эксплуатационных характеристиках;
Длительный срок службы. Датчики способны прослужить длительное время при условии соблюдения рекомендаций производителя и правильном монтаже;
Простота в эксплуатации. Прибор не предъявляет повышенных требований к квалификации и опыту потребителя. После установки он работает автоматически, не требуя вмешательства и периодической регулировки;
Как правило, небольшие размеры и минимальный вес. Для его установки не требуется много места. В зависимости от наличия свободного места можно выбрать потенциометрический или сделать выбор в пользу устройства другого типа. Учитывая небольшую массу, для размещения прибора подойдет любое основание. При наличии дополнительного крепежа возможна установка под натяжные потолки;
Высокий коэффициент преобразования, благодаря которому повышается корректность выдаваемых сигналов;
Бесконтактный контроль за территорией. У пользователя отпадает необходимость постоянного присутствия. Вся актуальная информация может передаваться через ресурсы удаленного доступа;
Формирование сигнала в режиме реального времени;
Простота монтажа благодаря поставке прибора со всеми необходимыми крепежными элементами.

Из недостатков стоит отметить:

Возможность ложного срабатывания. Некоторые приборы чувствительны к изменению погодных условий, наличию и интенсивности атмосферных осадков;
Снижение коэффициента преобразования в темное время суток;
Высокая стоимость отдельных приборов.

Области применения

Любой датчик линейного перемещения является индикатором с аналогово-цифровым преобразователем. В качестве аналогового сигнала может выступать изменение емкости конденсатора, величины напряжения, параметров вторичной обмотки и других характеристик. Для управления системой, подключаемой к датчику, используется цифровой сигнал.

Величина и количество формируемых сигналов могут отличаться. Для одних систем достаточно двух типов управляющих сигналов: ноли и единица. Подобный принцип действия реализуется в системах:

Охранной сигнализации, в частности датчиках, устанавливаемых на двери. При закрытой двери устройство отправляет системе сигнал «ноль», при открытой — единицу;
управления светом. При отсутствии в помещении людей или иных движущихся объектов отправляется сигнал «ноль». Свет остается выключенным. Как только в помещении начинается какое-либо движение, отправляется единица: свет включается.

В некоторых случаях к точности измерения определенного параметрам предъявляются повышенные требования. В этом случае датчик линейных перемещений не просто информируется о наличии какого-то движения, но и позволяет определить точное пространственное положение некоторого объекта. Такой принцип реализован на станках с числовым программным управлением. Получаемая от датчиков информация используется системой управления для корректировки пространственного положения рабочего инструмента. Это существенно повышает точность механической обработки и качество выпускаемой продукции.

Советы по выбору

Большой ассортимент датчиков, предлагаемых различными производителями доставляет определенные трудности при выборе подходящего варианта. Чтобы не ошибиться, стоит обратить внимание на:

Рабочий цикл. Может варьироваться в большом диапазоне. Чем больше данный параметр, тем дольше прослужит устройство;
Температуру, при которой возможна эксплуатация. Некоторые модели предназначены для эксплуатации исключительно внутри помещений при положительной температуре. Другие можно смело монтировать на улице. Выбирая прибор, надо точно знать его назначение и согласовать диапазон температур, в котором производитель рекомендует эксплуатировать устройство, с температурой в конкретной местности;
Материал корпуса. От этого зависит внешний вид изделия, его срок службы, стоимость и место установки;
Порядок монтажа. Для размещения прибора на подвесном потолке в комплект поставки должен входить специальный крепеж и вес должен быть подходящим;
Порядок подключения к системе электроснабжения, требуемые разъемы. В некоторых случаях при установке могут возникнуть очевидные трудности;
Способ подключения и принцип работы отдельных элементов;
Стоимость. Некоторые производители используют дорогостоящие материалы, существенно повышающие цену модели и незначительно ее эксплуатационные характеристики.

Порядок настройки

Чтобы датчик линейного перемещения справился с поставленной задачей, его надо правильно настроить. Большинство производителей в инструкции по эксплуатации указывают алгоритм действий пользователя, заинтересованного в точной и безупречной работе устройства.

В самом общем случае проверить необходимость поднастройки можно следующим образом:

Готовится электролампа мощностью 200Вт либо прожектор, имеющий достаточную яркость;
Прибор монтируется на место и подключается к системе электроснабжения;
На передающем модуле закрывается крышка;
Лампа подключается к системе электроснабжения;
Световой поток, формируемый лампой, направляется внутрь устройства. Следует добиться фокусировки формируемых бликов оптической системой;
Смотрят на свет. Если он размывается, а размеры превышают 3 мм, значит, без настройки оптической системы не обойтись;
Внимательно изучают инструкцию производителя, выполняя действия в точном соответствии с руководством по эксплуатации, добиваясь рекомендованных параметров. Содержание данного этапа может существенно отличаться для приборов определенного типа;
Закрывают крышку. Отключают датчик от системы электроснабжения;
Проводят повторную проверку, выждав некоторое время. Контролируют ранее перечисленные параметры.

При правильной настройки оптической системы датчик будет работать безукоризненно при любых условиях эксплуатации.

Видео по теме

Источник

Особенности применения датчиков угловых перемещений на производстве

В данной статье будут затронуты вопросы применения энкодеров в современных системах АСУ ТП и некоторые аспекты культуры их производства, а также будут даны рекомендации по их эксплуатации.

Где используются датчики угловых перемещений

Энкодеры имеют довольно широкое применение.

Абсолютные и инкрементные энкодеры широко используются в металлургии, производстве бумаги, деревообработке, разнообразных линиях упаковки, станкостроении, энергетике и др.

Энкодеры устанавливаются на приводы прокатных станов, бумагоделательных и картонноделательных машин, а также пресспатов; на приводы координатных столов, продольно-резательных и поперечно-резательных (рубительных) машин, электрических задвижек, кранов, упаковочных агрегатов, лифтов, устройств выбора якоря на судах; на приводах суппортов и подачи токарных станков, в современных системах автоматического складирования, лесозаготовительных машинах и деревообрабатывающих станках, в системах ЧПУ и др.

Принцип действия энкодеров

Датчики угловых перемещений служат для измерения основных кинематических параметров работы электропривода: скорости и положения вала.

В подавляющем большинстве современных систем регулируемого привода, позиционирования и контроля углового положения используются инкрементные и абсолютные энкодеры. Определенный рынок, в связи с некоторыми техническими особенностями остается за резольверами (в частности, из-за их толерантности к высоким и низким температурам: от –50оС и до +150оС).

Принцип работы фотоимпульсных энкодеров – цифровой. Свет проходит от группы светодиодов к группе фотодиодов через прозрачный диск с нанесенными метками. Абсолютный энкодер имеет уникальную комбинацию меток для каждого углового положения, инкрементный – более прост: одинаковые метки равномерно распределены по всему радиусу диска.

Обычно энкодер имеет также т.н. «нулевую метку», одну – на полный оборот диска. Эта метка имеет калибровочную функцию и не всегда требуется для простых задач измерения скорости. При вращении диска, механически связанного с приводным валом, каждое прохождение метки через светодиодную пару генерирует импульс. Эти импульсы в дальнейшем обрабатываются с помощью электронных устройств (программируемых логических контроллеров, преобразователей постоянного и переменного тока для электродвигателей, счетчиков).

Абсолютные энкодеры иногда имеют встроенный редуктор, который позволяет датчику не только определять точное значение углового перемещения в пределах одного оборота вала, но и отсчитывать количество оборотов вала (обычно с дискретностью 12 бит, т.е. 4096 оборотов вала). Данные абсолютные энкодеры, которые называются «абсолютными многооборотными», часто используются в прецизионных червячных приводах подачи.

Основным же преимуществом абсолютного энкодера над инкрементным является функция сохранения текущего значения углового перемещения вне зависимости от того подано питание на датчик или нет.

Питание датчиков в основном осуществляется постоянным током 5В или 24В.

Функциональными особенностями инкрементных и абсолютных энкодеров обусловлено различие между ними в цене. Из-за более сложной технологии нанесения меток на диск, а также из-за необходимости передавать большее количество данных (с соответствующим усложнением электроники) стоимость среднего абсолютного энкодера в 1,4-2 раза превышает стоимость инкрементного аналога.

Нельзя также не упомянуть широкую сферу применения энкодеров в современном сервоприводе. Но сервопривод является совершенно особым устройством, заслуживающим отдельной статьи. Отметим лишь, что в основном в сервоприводах крупнейших производителей используются абсолютные однооборотные энкодеры с разрешением 17 бит (131072 положения на оборот).

Основные параметры, необходимые для выбора датчиков угловых перемещений

Количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000), количествово бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25).
Вал или отверстие под вал (укажите также диаметр вала или отверстия).
Тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN. ).
Напряжение питания.
Длина кабеля/ тип разъема.
Дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепежной штанги и др.).

Требования к установке энкодеров и рекомендации по их эксплуатации

Необходимость точной центровки при установке датчиков – главное требование для обеспечения долговременной их службы. Исполнение энкодера с валом предусматривает установку прецизионной муфты, которая должна демпфировать три параметра: угловое отклонение, осевое биение и несоосность валов при установке. Жесткое соединение валов обычно не допускается, т.к. может привести к существенному сокращению срока службы, из-за износа подшипников. Энкодер с валом должен крепиться к специально изготовленному фланцу.

Исполнение датчика с полым ротором исключает использование муфты и фланца. Энкодер монтируется прямо на нерабочий конец вала двигателя и закрепляется от проворота за валом с помощью крепежной штанги, которая дает энкодеру необходимую подвижность для компенсации углового отклонения.

Нужно отметить, что из соображений удобства установки сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом.

Срок службы хорошего современного датчика при правильной установке и подключении, а также средней скорости вращения приводного вала 1500 об/мин, – должен составлять не менее 50000 часов, т.е. почти 6 лет. Установка энкодера не в соответствии с требованиями производителя может привести к значительному сокращению службы датчика из-за износа подшипников. Любые другие воздействия, выходящие за рамки спецификации, как, например, удары по корпусу, сильная вибрация, перегрев/переохлаждение, также могут повлиять на срок службы энкодера.

Источник