Индукционный датчик положения: Please Wait… | Cloudflare

Содержание

виды, принцип работы, схема подключения, как проверить

Работа на промышленных предприятиях требует внедрения автоматической системы управления. С этой целью применяется разное оборудование, способное обеспечить бесперебойное функционирование производственных машин. Для контроля металлических объектов не редко используют бесконтактные индуктивные датчики, обладающие как положительными, так и отрицательными качествами. Но главное, что они отличаются небольшими размерами и прекрасно выполняют возложенные функции, поэтому пользуются популярностью и у производителей бытовой и даже медицинской техники.

Общее описание и назначение

Индуктивным датчиком принято называть устройство, способное преобразовывать механические перемещений контролируемых объектов в электрический сигнал. Представляет собой одну или несколько катушек индуктивности, объединенных с магнитопроводом и подвижным якорем, который регистрирует измерения линейного или углового размера и, перемещаясь, влияет на показатель индуктивности, изменяя ее в одну или другую сторону. Благодаря такой особенности, бесконтактные датчики активно используются в качестве элементов контроля положения металлических объектов.

Виды

По схеме построения индукционные датчики принято разделять только на 2 отдельных вида: одинарные и дифференцированные.

Одинарные

Устройства только с одним магнитопроводом. Такая схема обычно применяется при разработке бесконтактных выключателей.

Дифференциальные

Отличаются наличием сразу 2-ух магнитопроводов, каждый из которых специально сделанных в виде «ш». Это позволяет взаимокомпенсировать воздействие, оказываемое на сердечник, повышая таким образом точность производимых измерений. По сути, схема представляет из себя систему из 2-ух датчиков, соединенных общим якорем.

Устройство и схема

Индукционный датчик, как и любое электронное устройство, состоит из связанных друг с другом узлов, обеспечивающих бесперебойность его работы. В качестве основных элементов аппарата можно выделить следующее.

Генератор

Ключевой задачей генератора является создание магнитного поля, на основе которого, в частности, строится принцип действия индукционного датчика, а также образуются зоны активности с объектом.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта представляет собой отдельный элемент, основным назначением которого считается обеспечение гистерезиса в процессе переключения устройства.

Усилитель

Усилительное устройство используется в качестве элемента, способного повышать значение амплитуды импульса, что позволяет сигналу быстрее достигать необходимого параметра.

Специальный индикатор

Диодный индикатор, свидетельствующий о фактическом состоянии контроллера. Кроме того, светодиод используется для обеспечения достаточного контроля функционирования индукционного датчика, а также, чтобы обеспечить достаточную оперативность в процессе настройки.

Компаунд

Компаунд предназначается для защиты устройства, поскольку может предотвратить попадание жидкости, в частности воды, внутрь корпуса индукционного датчика, а также снижает риск загрязнения оборудования, так как пыль может спровоцировать его поломку.

Принцип работы

Принцип действия основывается на изменениях амплитудного значения колебаний генераторного узла при попадании в активную зону устройства объекта определенных размеров. В процессе подачи электропитания на концевик оборудования в районе его чувствительной части формируется изменяющееся магнитное поле. Оно наводит в находящемся в рабочей зоне датчика материале вихревые токи, ведущие к изменению амплитуды электромагнитных колебаний.

В результате начнет вырабатываться выходной сигнал, который в процессе может изменяться в зависимости от фактического расстояния между устройством и объектом контроля.

Параметры

Чтобы контролировать функциональность индукционного датчика, а также определять уровень его сигналов, надо разбираться в параметрах устройства.

Напряжение питания

Представляет собой диапазон допустимого напряжения, в рамках которого устройство работает корректно.

Минимальный ток переключения

Это минимально возможное значение электрического тока, которое обязательно должно поступать к датчику для обеспечения его работы.

Рабочие расстояния

Это максимально допустимое расстояние от устройства до железного квадрата миллиметровой толщины. При этом данное значение уменьшается, если используется другой материал.

Частота переключения

Это максимально возможное количество переключений, которые можно сделать в течение одной секунды.

Способ подключения

Вариант подключения любого бесконтактного датчика зависит от примененной в процессе его производства схемы построения.

Трехпроводные

Трехпроводные имеют 3 проводника, 2 из которых предназначаются для обеспечения устройства питанием, а третий применяется для подключения к нагрузке. Она, в зависимости от использованной при разработке структуры, может подсоединяться к аноду либо катоду источника напряжения электрического тока.

Четырехпроводные

Четырехпроводные индукционные датчики отличаются наличием четырех проводников: 2 провода идут на питание, а другие 2 — на загрузку.

Двухпроводные

Двухпроводные устройства подключаются прямо в нагрузочную цепь. Это самый элементарный вариант, но и он обладает отдельными особенностями. Данный способ для нагрузки требует номинальное сопротивление, если же его значение окажется больше или меньше, тогда индукционный датчик не сможет корректно работать.

Внимание! При подключении устройства к источнику постоянного тока следует помнить о полярности выводов.

Пятипроводные

Пятипроводной отличается от четырехпроводного только наличием пятого проводника, который позволяет выбирать режим работы устройства.

Цветовая маркировка

Все электротехническое оборудование, в том числе проводники, обязательно имеет цветовую маркировку. Ее принято наносить для удобства последующих монтажных работ и дальнейшего обслуживания. Это правило должно соблюдаться и в случае с индукционными датчиками. Их выходные проводники маркируются следующими цветами:

  • минус обычно указывается синим;
  • плюс — красным;
  • выход — черным;
  • белый — дополнительный выход или же вход управления, что определяется типом используемого датчика.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Электромагнитная

Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.

От температуры

Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.

Магнитной упругости

Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.

Деформация элементов

Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.

Кабеля

Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Старение

Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.

Технологии

Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Сферы использования

Возможная область применения индукционных датчиков настолько велика, что позволяет использовать их не только в быту и автомобилестроении, но и в промышленности с робототехникой, а также медицине.

Медицинские аппараты

Индуктивные датчики широко используются при производстве медицинского оборудования, поскольку магнитные свойства устройства позволяют регистрировать легочную вентиляцию, параметры вибрации, а также снимать баллистокардиограммы.

Бытовая техника

В бытовом плане датчики могут выступать в качестве приспособления контроля водоснабжения, уровня освещения и положения двери (закрыта или открыта), поэтому используются при производстве, к примеру, стиральных машин и другой бытовой техники. Кроме того, устройства применяются в процессе создания элементов «умного дома».

Автомобильная промышленность

Используется индукционный датчик и в автостроении, выступая в роли контроллера, определяющего положение коленчатого вала. При приближении металлического объекта, в данном случае, зуба шестерни, к устройству, генерируемое встроенным постоянным магнитом магнитное поле увеличивается, что приводит к наведению в катушке переменного напряжения.

Внимание! Некоторые производители для повышения эффективности стараются изменить конструкцию индукционного датчика, к примеру, используя внешние магниты для его активации.

Робототехническое оборудование

В случае с робототехникой, индуктивным датчикам нашли применение в производстве беспилотных аппаратов и промышленных роботов для повышения их чувствительности к препятствиям и способности распознавать объекты, а также устройствах, для которых важна самобалансировка.

Промышленная техника регулирования и измерения

Широко используются в работе систем транспортеров, упаковочных аппаратов и сборочных линий, а еще в составе всех видов станкового оборудования и запорной арматуры. Также индуктивные датчики помогают контролировать мелкие и крупные элементы промышленной техники (зубцы шестеренок, стальные флажки, штампы), объекты производства (металлические изделия, листы металла, крышки) и т.п. Кроме того, при их подключении к импульсным счетчикам можно в результате получить элементарное, но крайне эффективное считывающее устройство.

Индукционные датчики следующего поколения

Благодаря новым разработкам в этой области, были созданы усовершенствованные модели индукционных датчиков следующего поколения. Принцип работы остался прежним, однако подверглась тщательной переработке конструкция устройства. В результате датчики теперь оснащаются тонкими платами, распечатанными на 3D-принтерах, и современной цифровой электроникой. Кроме того, их производят на гибких подложках, что избавляет от необходимости использования традиционных кабелей и разъемов. Так что пользоваться устройствами можно даже в тяжелых погодных условиях.

К преимуществам новых разработок можно отнести следующее:

  • снижение стоимости и веса, более компактные размеры;
  • возможность выбора практически любых форм-факторов;
  • повышение точности реагирования на металлические объекты;
  • возможность проведения замеров, связанных со сложной геометрией, в двух или трех измерениях;
  • упрощение конструкции;
  • возможность устанавливать несколько индукционных датчиков близко друг к другу из-за высокой электромагнитной совместимости.

Все это позволило увеличить эффективность и доступность устройства, а также расширить сферу его применения.

Индуктивные датчики: назначение и принцип работы, устройство индуктивного датчика

Устройство и принцип действия индуктивных и емкостных датчиков приближения

Емкостные и индуктивные датчики способны обнаруживать присутствие объекта без непосредственного контакта с ним. При этом индуктивные выключатели чувствительны только к металлическим предметам, а емкостные способны детектировать любые предметы, диэлектрическая проницаемость которых отлична от воздуха (например, воду, дерево, металл, пластик и т.д.). Рассмотрим принцип работы каждого датчика отдельно.

Основным элементом индуктивного датчика является катушка индуктивности (рисунок 2). Она подключена к генератору. Переменное электрическое напряжение на ее выводах вызывает переменное магнитное поле. Линии поля будут перпендикулярны направлению тока в витках катушки.

Рисунок 2 — Принцип работы индуктивного датчика приближения

При отсутствии вблизи катушки металлических объектов линии магнитного поля замыкаются по воздуху. А амплитуда электрических колебаний будет максимальной.

Если же к катушке приближать металлический объект, то все большая часть силовых линий начнет замыкаться через него. Индуктивность катушки начнет увеличиваться. Этот процесс схож с процессом введения сердечника. При этом рост индуктивности приведет к уменьшению амплитуды и/или частоты колебаний.

Если такую систему снабдить детектором, то по изменению амплитуды сигнала можно судить о наличии металлического объекта, его приближении или удалении.

В основе работы емкостного датчика, как следует из названия, положено использование емкостных связей. Сам датчик, по сути, представляет собой одну из обкладок пространственного конденсатора. Второй обкладкой является земля. В качестве диэлектрика выступает преимущественно воздух. Так как диэлектрическая проницаемость воздуха мала (ε=1), то емкость такого конденсатора не велика. Если же к датчику начинает приближаться некоторый объект с более высоким значением ε, то суммарная емкость начнет увеличиваться (рисунок 3).

Рисунок 3 — Принцип работы емкостного датчика приближения

Таким образом, по величине емкости можно судить о наличии объекта, его приближении или удалении. При этом материал объекта может быть практически любым, важным является только значение его диэлектрической проницаемости.

Как правило, для измерения используются схемы с преобразованием емкости в частоту или амплитуду колебаний, которые измеряются с помощью детектора. В итоге, как и в случае с индуктивным датчиком необходимо наличие двух обязательных элементов: генератора и детектора (рисунок 4).

Рисунок 4 — Структурные схемы датчиков приближения

Емкостные и индуктивные выключатели имеют выходной сигнал релейного типа (включен или выключен) (рисунок 5). По этой причине, схема датчиков имеет переключательный элемент — триггер, который для предотвращения ложных срабатываний снабжен гистерезисом.

Рисунок 5 — Формирование выходных сигналов выключателей

Рассмотрим основные характеристики бесконтактных выключателей.

Индуктивные датчики положения чувствительны к внешнему магнитному полю

Современные автоматы создают больше случайных магнитных полей, чем когда-либо прежде, вызывая проблемы с датчиками Холла и магниторецепторами. Индуктивные датчики положения используют активную демодуляцию, чтобы отфильтровать поля рассеяния (рисунок ниже).

Электромобили следующего поколения могут иметь рабочий ток в несколько сотен ампер, идущих от аккумуляторов к тяговому электродвигателю. Кроме того, большинство автомобилей имеют более трех бесщеточных двигателей постоянного тока (BLDC) для обеспечения движения автомобиля, электронное рулевое управление с усилителем и вспомогательный тормозной двигатель. Все эти системы генерируют магнитные поля рассеяния.

Из-за быстрого нарастания паразитных магнитных полей новые спецификации требуют большего количества испытаний на устойчивость к сильным магнитным полям. В автомобильной промышленности автомобильная электроника в настоящее время подвергается воздействию поля постоянного тока в 4 мТл при оценке электромагнитной совместимости (EMC) и дает ложные показания в любом из критичных для безопасности датчиков — гидроусилитель руля, педаль акселератора, положение тягового электродвигателя.

Прелесть индуктивного определения положения в том, что оно невосприимчиво к этим шумам, потому что оно активно фильтрует только частоту, необходимую для восприятия. Поскольку индуктивные датчики положения не используют магнитный материал, они не воспринимают
магнитное поле постоянного тока. Другими словами, закон Фарадея не работает для статического магнитного поля.

Кроме того, описанный выше синхронный демодулятор отфильтровывает другие частоты выше и ниже основной частоты возбуждения, почти так же, как вы можете выбрать одну радиостанцию AM, когда антенна принимает всю полосу AM. Такой же тип фильтрации невозможен при использовании эффекта Холла и магниторезистивных датчиков.

Характеристики индуктивных датчиков

Чем отличаются датчики.

Конструкция, вид корпуса


Тут два основных варианта  – цилиндрический и прямоугольный. Другие корпуса применяются крайне редко. Материал корпуса – металл (различные сплавы) или пластик.

Расстояние переключения (рабочий зазор)


Это то расстояние до металлической пластины, на котором гарантируется надёжное срабатывание датчика. Для миниатюрных датчиков это расстояние – от 0 до 2 мм, для датчиков диаметром 12 и 18 мм – до 4 и 8 мм, для крупногабаритных датчиков – до 20…30 мм.

Количество проводов для подключения


Подбираемся к схемотехнике.

2-проводные. Датчик включается непосредственно в цепь нагрузки (например, катушка пускателя). Так же, как мы включаем дома свет. Удобны при монтаже, но капризны к нагрузке. Плохо работают и при большом, и при маленьком сопротивлении нагрузки.

2-проводный датчик. Схема включения

Нагрузку можно подключать в любой провод, для постоянного напряжения важно соблюдать полярность. Для датчиков, рассчитанных на работу с переменным напряжением – не играет роли ни подключение нагрузки, ни полярность

Можно вообще не думать, как их подключать. Главное – обеспечить ток.

3-проводные. Наиболее распространены. Есть два провода для питания, и один – для нагрузки. Подробнее расскажу отдельно.

4- и 5-проводные. Такое возможно, если используется два выхода на нагрузку (например, PNP и NPN (транзисторные), или переключающие (реле). Пятый провод – выбор режима работы или состояния выхода.

Виды выходов датчиков по полярности


У всех дискретных датчиков может быть только 3 вида выходов в зависимости от ключевого (выходного) элемента:

Релейный. Тут всё понятно. Реле коммутирует необходимое напряжение либо один из проводов питания. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка от схемы питания датчика, что является основным достоинством такой схемы. То есть, независимо от напряжения питания датчика, можно включать/выключать нагрузку с любым напряжением. Используется в основном в крупногабаритных датчиках.

Транзисторный PNP. Это – PNP датчик. На выходе – транзистор PNP, то есть коммутируется “плюсовой” провод. К “минусу” нагрузка подключена постоянно.

Транзисторный NPN. На выходе – транзистор NPN, то есть коммутируется “минусовой”, или нулевой провод. К “плюсу” нагрузка подключена постоянно.

Можно чётко усвоить разницу, понимая принцип действия и схемы включения транзисторов. Поможет такое правило: Куда подключен эмиттер, тот провод и коммутируется. Другой провод подключен к нагрузке постоянно.

Ниже будут даны схемы включения датчиков, на которых будет хорошо видно эти отличия.

Виды датчиков по состоянию выхода (НЗ и НО)


Какой бы ни был датчик, один из основных его параметров – электрическое состояние выхода в тот момент, когда датчик не активирован (на него не производится какое-либо воздействие).

Выход в этот момент может быть включен (на нагрузку подается питание) либо выключен. Соответственно, говорят – нормально закрытый (нормально замкнутый, НЗ) контакт либо нормально открытый (НО) контакт. В иностранной аппаратуре, соответственно – NС и NО.

То есть, главное, что надо знать про транзисторные выходы датчиков – то, что их может быть 4 разновидности, в зависимости от полярности выходного транзистора и от исходного состояния выхода:

  • PNP NO
  • PNP NC
  • NPN NO
  • NPN NC

Контакты датчиков также могут быть с задержкой включения или выключения. Про такие контакты также сказано в статье про приставки выдержки времени ПВЛ. А почему датчики, отвечающие за безопасность, должны быть обязательно с НЗ контактами – см. статью про Цепи безопасности в промышленном оборудовании.

Положительная и отрицательная логика работы


Это понятие относится скорее к исполнительным устройствам, которые подключаются к датчикам (контроллеры, реле).

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ или ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика относится к уровню напряжения, который активизирует вход.

ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ логика: вход контроллера активизируется (логическая “1”) при подключении к ЗЕМЛЕ. Клемму S/S контроллера (общий провод для дискретных входов) при этом необходимо соединить с +24 В=. Отрицательная логика используется для датчиков типа NPN.

ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ логика: вход активизируется при подключении к +24 В=. Клемму контроллера S/S необходимо  соединить с ЗЕМЛЕЙ. Используйте положительную логику для датчиков типа PNP. Положительная логика применяется чаще всего.

Продолжение статьи – здесь >>>. Во второй части даны реальные схемы и рассмотрено практическое применение различных типов датчиков с транзисторным выходом.

Резервные индуктивные датчики требуют вдвое больше места

Важные автомобильные и промышленные приложения часто нуждаются в резервировании питания для обеспечения высочайшего уровня безопасности. Оптимизируя слои печатной платы и некоторые интеллектуальные методы первичной обмотки, двойной датчик не требует двойного пространства на печатной плате. Вместо этого оба датчика могут находиться в одном и том же пространстве печатной платы (рисунок ниже). В этом случае они имеют одно и то же магнитное поле, и при этом обеспечивают гальваническую развязку. Вторичные устройства могут обращаться к двум микросхемам, которые затем выводят в независимую и резервную позиции, что повышает безопасность приложения.

Как подключить контактор

Особенности подключения светодиодных лент

При подключении контактора сразу нужно определиться с механизмом, который он будет включать. Это может быть двигатель, насос, вентилятор, нагревательные элементы, компрессоров и т. д. Главной особенность контактора, отличающего его от автомата, является отсутствие всякой защиты. Поэтому продумывая цепи включения электрооборудования через контактор обязательно необходимо учесть ограничивающие ток и нагрев элементы. Для ограничения и отключения оборудования при коротких замыканиях и превышающих во много раз номинал нагрузках используются предохранители и автоматы. От длительного незначительно превышения номинальных токов работающего оборудования применяются тепловые реле.

Для того чтобы правильно подключить контактор в схему нужно чётко понимать какие из контактов силовые, а какие из них вспомогательные, то есть блок-контакты. Также нужно посмотреть на номиналы катушки включения. Там должны быть указаны напряжение его тип и величина, а также токи которые через неё протекают для нормальной работы. Во время работы силовые контакты могут погорать, поэтому их необходимо регулярно осматривать и чистить.

Как подключить модульный контактор

Модульный контактор — это разновидность обычных таких же аппаратов для коммутации, только применяются они в основном для включения и отключения распределительных щитков дистанционно. То есть включая его, подаётся питание на группу автоматов, каждый из которых, отвечает за свою определённую цепь. Устанавливается он на DIN — рейке. Может коммутировать как цепи постоянного, так и переменного тока.

Подключение контактора через кнопку

Для подключения контактора через кнопку нужно изучить ниже приложенную схему. Она предназначена для пуска нагрузки, в данном случае двигателя, от контактора катушка которого рассчитана на 220 Вольт переменного напряжения. В зависимости от напряжения стоит продумать её питание. Поэтому при покупке и выборе контактора стоит учесть этот нюанс. Так как если электромагнит будет рассчитан на постоянное напряжение, то понадобится именно такой источник.

При нажатии на кнопку пуск катушка электромагнита контактора получит питание и он включится. Замкнутся силовые контакты, тем самым подастся напряжение на асинхронный двигатель. Также замкнётся блок-контакт контактора К1, который подключен параллельно кнопке стоп. Он называется электриками контакт самоподхвата, так как именно он подаёт питание на включающую катушку после того, как кнопка пуска отпускается. При нажатии на кнопку стоп от электромагнита отключается питание, силовые элементы контактора разрывают цепь и двигатель отключается.

Подключение контактора с тепловым реле

Тепловое реле предназначено для недопускания длительных незначительных токовых перегрузок во время работы электрооборудования, ведь перегрев отрицательно сказывается на состоянии изоляции. Частые превышения температуры и токов приведут к её разрушению, а значит и к короткому замыканию, и выходу из строя дорогостоящего исполнительного элемента.

При повышении тока в цепи статора электродвигателя элементы теплового реле КК будут нагреваться. При достижении заданной температуры, которая может быть регулирована, тепловое реле сработает и его контакты разорвут цепь катушки электромагнита контактора КМ.

В целях безопасности нужно помнить, что работа в цепи контактора должна производиться при полном обесточивании его. При этом автомат питания должен быть заблокирован ключом или запрещающим плакатом от несанкционированного, или ошибочного включения. А также нельзя включать этот аппарат со снятыми дугогасительными камерами, это приведут к короткому замыканию.

Принцип действия


Всё базируется на изменении амплитуды колебаний используемого в индуктивном датчике генератора, когда в активную зону вносится предмет определённого размера из металлического, магнитного и ферро-магнитного материала. Так что использование может быть реализовано только с этими типами. Когда подаётся питание на конечный выключатель, расположенный в его области чувствительности, то образуется магнитное поле. Оно наводит в материале вихревые токи, влияние которых меняет амплитуду колебаний генератора. В конечном результате таких преобразований получается аналоговый выходной сигнал. Его величина меняется и зависит от расстояния между контролируемым предметом и датчиком. Триггер Шмитта превращает аналоговый сигнал в логический. Индуктивный датчик перемещения играет важную роль для механизмов, которые отслеживают изменение местоположения металлических деталей. Встретить подобные устройства вы можете в автомобильных конвейерах. Индуктивный датчик положения поможет определить, расположен ли предмет так, как должен. Если ответ отрицательный, то будут предприняты действия, предусмотренные программой, чтобы всё было так, как необходимо для полноценной и правильной работы конвейера.

3.6. Емкостные датчики

П

ринцип
действия емкостных измерительных
преобразователей основан на изменении
емкости конденсатора под воздействием
входной преобразуемой величины. Емкость
конденсатора:

где ε — относительная
диэлектрическая проницаемость
диэлектрика;

ε
— диэлектрическая проницаемость
вакуума;

S
— площадь
пластины;

δ — толщина
диэлектрика или расстояние между
пластинами.

Емкостные
преобразователи используют для измерения
угловых и линейных перемещений, линейных
размеров, уровня, усилий, влажности,
концентрации и др. Конструктивно они
могут быть выполнены с плоскопараллельными,
цилиндрическими, штыревыми электродами,
с диэлектриком между пластинами и без
него.

Емкостный
плоскопараллельный измерительный
преобразователь с изменяемой площадью
перекрытияS
(cм.
рис. 3.8, а)
описывается
уравнением преобразования:

где а
— ширина
пластин конденсатора;

X
— длина
перекрытия электродов.

а) б) в)

Рисунок 3.8 Схемы
емкостных датчиков с различными
измеряемыми параметрами.

Рисунок 3.9 Емкостной
датчик для измерения угловых велечин

Емкостные
преобразователи перемещения с переменной
площадью перекрытия (рис. 3.9) используют
и для измерения угловых величин. В этом
случае емкость измерительного
преобразователя:

(3.2)

а чувствительность:

(3.3)

где r2,
r1
— соответственно
наружный и внутренний радиусы пластин;

φ, φ
— соответственно текущий (измеряемый)
и начальный углы перекрытия пластин.

Емкостный
плоскопараллельный преобразователь
перемещения с изменяющимся воздушным
зазором(см.
рис. 3.8, б) имеет
нелинейную характеристику. Изменение
его емкости описывается уравнением:

где δ
— начальный зазор;

X
— перемещение
пластины.

В связи с нелинейностью
статической характеристики такие
датчики применяют для измерения
относительно малых перемещений, обычно
не более 0,1δ.

Преобразователи
с изменяемой диэлектрической проницаемостью
среды ε
между электродами (см. рис. 3.8, в)
широко используют
для измерения уровня жидких и сыпучих
веществ, анализа состава и концентрации
веществ в химической, нефтеперерабатывающей
и других областях промышленности, для
счета изделий, охранной сигнализации
и т.п. Они имеют линейную статическую
характеристику.

Емкость измерительных
преобразователей в зависимости от
конструктивных особенностей колеблется
от десятых долей до нескольких тысяч
пикофарад, что приводит к необходимости
использовать для питания датчиков
напряжение повышенной частоты — от
1•103
до 108
Гц. Это один из существенных недостатков
подобных преобразователей.

К достоинствам
емкостных измерительных преобразователей
можно отнести простоту конструкции,
малые размеры и массу, высокую
чувствительность, большую разрешающую
способность при малом уровне входного
сигнала, отсутствие подвижных токосъемных
контактов, высокое быстродействие,
возможность получения необходимого
закона преобразования за счет выбора
соответствующих конструктивных
параметров, отсутствие влияния выходной
цепи на измерительную.

Недостатки емкостных
измерительных преобразователей состоят
в относительно низком уровне выходной
мощности сигналов, нестабильности
характеристик при изменении параметров
окружающей среды, влиянии паразитных
емкостей.

Общие сведения

Индукционный датчик представляет собой специальное приспособление, относящееся к бесконтактным. Это значит, что для определения местоположения объекта в пространстве ему не требуется непосредственный контакт с ним. Благодаря такой технологии, возможна автоматизация производственного процесса.

Как правило, приспособление применяется в различных линиях и системах на крупных заводах и фабриках. Его также можно использовать в качестве конечного выключателя. Прибор отличается высоким качеством и надежностью, работает даже в сложных условиях. Оказывает воздействие только на металлические предметы, поскольку другие материалы к нему нечувствительны.

Приспособление довольно устойчиво к агрессивным химическим веществам, широко применяется в машиностроительной, пищевой и текстильной промышленности. Аэрокосмическая, военная и железнодорожная отрасль также не обходится без этих датчиков.

Маркировка при подключении

На принципиальных схемах индуктивные датчики принято обозначать в виде ромба или квадрата с двумя вертикальными линиями внутри. Нередко в них также указывается тип выхода (нормально открытый или закрытый), соответствующий одной из разновидностей полупроводниковых транзисторов. В большинстве вариантов схем указывается нормально закрытая группа или оба типа в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов

Перед установкой датчика необходимо сверить данные с инструкцией

На практике применяется стандартная система маркировки выводов датчиков индуктивности, которой придерживаются все без исключения производители чувствительных приборов. Тем не менее, перед их монтажом рекомендуется внимательно следить за полярностью подключения и обязательно сверяться с прилагаемой к изделиям инструкцией.

На корпусах всех датчиков имеется рисунок с цветной маркировкой проводов, если это позволяют его размеры.

Стандартный порядок обозначения:

  • синий (Blue) всегда означает минусовую шину питания;
  • коричневым цветом (Brown) обозначается плюсовой проводник;
  • черный (Black) соответствует выходу датчика;
  • белый (White) – это дополнительный выход или вход.

Для уточнения последнего маркировочного обозначения его следует сверить с данными инструкции, прилагаемой к конкретному прибору.

Индуктивный датчик: принцип действия и устройство

Индуктивный датчик является очень распространенным устройством, входящим в состав низового оборудования в автоматизированных системах управления производством. Устройства широко применяются в машиностроении, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности.


Наиболее эффективно приборы используются в станках в качестве конечных выключателей, а также в автоматических линиях.

При этом индуктивные датчики реагируют только на металлы, оставаясь нечувствительными к другим материалам. Данное свойство позволяет увеличить защищенность устройств от помех, вводя в их зону чувствительности различные смазки, эмульсии и другие вещества, что не вызовет ложного срабатывания.

Объектами, на которые воздействует индуктивный датчик положения, являются различные металлические детали: кулачки, ползуны, зубья шестеренок. Во многих случаях может применяться прикрепленная к деталям оборудования пластина.

По статистике, из всех используемых датчиков положения более 90 процентов приходится на индуктивные устройства.


Это можно объяснить их отличными эксплуатационными характеристиками, низкой стоимостью и одновременно высокой надежностью, чего нельзя сказать о других приборах.

Бесконтактный выключатель (индуктивный датчик) работает по следующим принципам. Входящий в состав устройства генератор производит электромагнитное поле, которое взаимодействует с объектом. Необходимую длительность сигнала управления и гистерезис при переключении обеспечивает триггер. Усилитель позволяет увеличить до необходимого значения амплитуду сигнала.

Расположенный в датчике световой индикатор обеспечивает оперативность настройки, контроль работоспособности и показывает состояние выключателя. Для защиты от проникновения в устройство воды и твердых частиц используется компаунд. Корпус изделия позволяет монтировать индуктивный датчик приближения и защищает приспособление от механических воздействий. Его изготавливают из полиамида или латуни, комплектуя метизными компонентами.

В процессе работы устройства при подаче напряжения катушкой индуктивности генератора создается переменное магнитное поле, которое располагается перед активной поверхностью выключателя. При попадании в зону чувствительности объекта воздействия происходит снижение качества контура и амплитуды колебаний. В результате происходит срабатывание триггера и изменяется состояние выхода выключателя.

Индуктивный датчик имеет некоторые особенности применения. Он может распознавать различные группы металлов, благодаря отсутствию износа и механического воздействия является долговечным приспособлением. Устройства комплектуют с помощью механизмов защиты от короткого замыкания и перегрузок.

Они имеют стойкость к высокому давлению, впускаются в различных вариантах для применения при высоких (до 150 Сo) и низких (от – 60 Со) температурах. Индуктивный датчик обладает устойчивостью к активным химическим средам, может иметь аналоговый или дискретный выход для определения положения относительно устройства объекта воздействия.

Индуктивные датчики положения могут измерять только линейные перемещения

В то время как линейное измерение является определенным преимуществом этого метода, индуктивные датчики положения могут также измерять траектории объекта вращения и измерения движения по дуге с теми же преимуществами более высокой точности и лучшей помехоустойчивости. Педали
автомобиля, воздушные или водяные клапаны и положение ротора — все это примеры датчиков, в которых можно использовать индуктивную технологию.

Думайте о поворотном датчике на 360 градусов как о линейном сенсоре, концы которого изогнуты, чтобы они могли соприкасаться друг с другом. Оказывается, что поворотные индуктивные датчики положения являются наиболее точными, потому что генерируемое магнитное поле может быть очень однородным при любом радиусе. Благодаря этой технологии возможны линейные, дуговые и вращательные измерения.

Погрешности

Погрешности в процессе преобразования диагностических значений оказывают влияние на способности индукционных датчиков выдавать достоверную информацию. К основным из них можно отнести следующие.

Электромагнитная

Данную погрешность принято учитывать только в качестве случайной величины. Как правило, она возникает в ходе индуцирования ЭДС в индукционной катушке в результате внешнего воздействия сторонними магнитными полями. Это происходит в процессе производства из-за силовых электроустройств. Они образуют магнитные поля, что впоследствии и формирует электромагнитную погрешность.

От температуры

Эта погрешность тоже выступает в качестве случайного значения, поскольку работа большого числа элементов индукционного датчика напрямую зависит от температурных показателей, поэтому это ключевая величина, которая даже учитывается в процессе проектировки подобного оборудования.

Магнитной упругости

Обычно такая погрешность может проявляться как следствие нестабильности деформации магнитопровода устройства в процессе сборки самого датчика, а также при деформационных изменениях во время работы. Кроме того, оказываемое нестабильным электронапряжением воздействие на магнитопровод оборудования вызывает снижение качества передаваемого сигнала на выходе.

Деформация элементов

Данная погрешность, как правило, проявляется в результате воздействия измеряющей силы на значение деформации частей индукционного датчика, а также под влиянием усилий, оказываемых на нестабильные деформирующие процессы. Кроме того, не меньшее влияние на нее могут оказывать люфты и зазоры, образовавшиеся в подвижных элементах конструкции устройства.

Кабеля

Такая погрешность обычно проявляется от непостоянного значения сопротивления, в случае деформации самого провода и под влиянием температуры. Также подобным образом может сказаться наводка внешними полями ЭДС в кабеле.

Старение

Данная погрешность может проявляться при износе движущихся элементов самого устройства, а также в случае постоянно изменяющихся магнитных свойств используемого магнитопровода. Ее принято считать, строго говоря, случайным значением. В процессе определения данной погрешности учитывают кинематику конструкции индукционного датчика, а во время проектирования подобного оборудования максимальный эксплуатационный срок рекомендуется определять только при работе в обычном режиме, чтобы при этом износ не успел превысить установленного значения.

Технологии

Погрешности технологии проявляются в случае отклонений от технического процесса производства, при явном разбросе технических параметров катушек и остальных элементов во время сборки, влиянии допущенных зазоров при соединении устройства. Для ее измерения принято использовать механическое измерительное оборудование.

Индукционный датчик

Индукционный датчик представляет собой индуктивную катушку 5, надетую на разделительную трубку из немагнитной стали, в которой перемещается укрепленный на поплавке 3 плунжер 4 с сердечником из ферромагнитного материала.

Зависимость индуктивности магнитоупругого датчика от силы сжатия.

Индукционные датчики предназначены для преобразования скорости линейных и угловых перемещений в ЭДС. Они относятся к датчикам генераторного типа.

Индукционные датчики являются наиболее распространенным классом активных датчиков как по заложенным в них принципам действия, так и по назначению и конструктивному воплощению. Они могут быть постоянного и переменного тока ( однофазные и многофазные) и обычно используются для контроля частоты вращения, углового ускорения, угла поворота, скорости и ускорения линейного перемещения. Эти датчики могут выдавать значительные выходные сигналы как по напряжению, так и по мощности, в широком диапазоне изменения контролируемой величины имеют практически линейную характеристику, хорошо противостоят кратковременным механическим и электрическим перегрузкам, просты в обращении.

Индукционные датчики отличаются тем, что имеют две раздельные обмотки, неподвижную, через которую пропускают постоянный ток, и подвижную.

Индукционные датчики состоят из магнитного сердечника и одной или двух катушек индуктивности. Принцип работы индукционных датчиков состоит в том, что неэлектрические величины тем или иным путем приводят к взаимному перемещению магнитного сердечника и катушки индуктивности. При этом в катушке возбуждается ЭДС индукции. Для измерения скорости вращения или возвратно-поступательного движения применяются импульсные датчики. Выходной величиной таких датчиков является частота импульсов.

Индукционный датчик состоит из текстолитового каркаса, на котором имеются первичная и вторичная обмотки. Вторичная обмотка выполнена по дифференциальной схеме из двух последовательно соединенных обмоток. Первичная обмотка катушки питается переменным током напряжением 12 б от блока местной автоматики типа БМА.

Индукционный датчик действует в принципе аналогично предыдущему, но перемещение тела, сближая или удаляя друг от друга две катушки или вдвигая и выдвигая сердечник катушки, изменяет самоиндукцию катушки.

Реостатный преобразователь.

Индукционные датчики, индуктивность которых меняется вследствие изменения магнитного сопротивления магнитопровода.

Датчик для измерения величины трещины.

Индукционные датчики 12 ( см. рис. 53) предназначены для измерения величины раскрытия трещин разрыва пласта. Они работают по принципу изменения индукционного сопротивления катушки при перемещении внутри последней ферритового стержня. Один из концов стержня закреплен на стенке трещины. Перемещения стенки в вертикальном направлении непосредственно воспринимаются ферритовым стержнем. Сигналы, снятые с катушек, через специальный усилитель поступают или на специальный милливольтметр или на вход осциллографа Я-700. Длина хода стержня составляет 3 мм. Это вполне достаточно для условий экспериментов. Установка нуля достигается простым смещением катушек 12 относительно ферритовых стержней.

Индукционный датчик — электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования угловых и линейных перемещений в модулированное напряжение. Принцип действия индукционных датчиков и преобразователей основан на изменении коэффициента взаимоиндукции М между подвижным и неподвижным элементами при изменении их относительного положения.

Индукционный датчик ( реле контроля скорости) схематически изображен на рис. VII. Вокруг той же оси может поворачиваться кольцо 3 с корот-козамкнутой обмоткой 4 типа беличьего колеса. При вращении вала / с магнитом в обмотке 4 индуктируется ток, и кольцо 3 стремится повернуться в сторону вращения вала.

Индукционные датчики часто используются как датчики скорости. Если использовать дифференцирующие и интегрирующие цепочки, то можно получить выходные величины, пропорциональные ускорению и перемещению.

Датчик Положения коды ТН ВЭД (2020): 9030899000, 9031809100, 9031803800

Приборы контроля и регулирования технологических процессов: датчики положения на напряжение до 50 вольт 9031803400
Приборы контроля и регулирования технологических процессов на напряжение до 50 вольт: датчики положения, 9031803800
Датчики положения 9031809800
Датчик положения, 8536508000
Электронный датчик положения, 9031803800
Блок концевых выключателей/датчик положения, 8536508000
Датчик положения 9031803800
положения 8536501907
Электронные индуктивные датчики положения, напряжение питания 220 Вольт 903180
Датчики положения, 8536508000
положения, 8536501907
датчики положения магнитогерконовые 8531103000
Датчик линейного положения, 9031803400
Приборы измерительные: датчики положения электронные 9031803400
Приборы контроля и регулирования технологических процессов на напряжение до 50 вольт: датчики положения 9031803800
Магниточувствительные датчики положения, низковольтные СSB, CSC, CSN, CST, CSV, CSH, CSM и CSx (где «х» — не более 4 символов, либо их отсутствие (буквы от А до Z, цифры от 0 до 9, символы «-» и/или «/» или пробел, обозна 8536508000
Электронный линейный датчик положения, 9031803400
Приборы контроля и регулирования технологических процессов: датчики положения на напряжение до 30 вольт 9031499000
Приборы контроля и регулирования технологических процессов: датчики положения на напряжение 44 вольта 8533401009
Приборы оптические: электронные датчики положения поршня на напряжение 24 вольта 9031803400
Приборы электроизмерительные: датчик положения 8536501907
Электронные датчики положения серии 4200, модели: 4210, 4211, 4212, 4215, 4220, 4221, 4222. 9031809100
Электронный датчик положений 8536501908
Аппараты электрические для управления электротехническими установками: датчик положения, 8536508000
Датчики положения и/или конечные выключатели моделей 496-*5*/* 8536508000

ИНДУКЦИОННЫЙ ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ

Заявленное техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений с помощью преобразователя перемещения индукционного типа.

Известен «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью» по патенту Франции: FR 2830614 A1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 — [1], содержащий нанесенные печатные прямоугольные обмотки на пластинах из диэлектрического материала, рядом с обмотками находятся пластины из материала с высокой магнитной проницаемостью и ферромагнитные площадки, между которыми находится перемещаемый магнит, положение которого определяется по возмущению электромагнитного поля между ферромагнитными площадками.

Недостатком известного изобретения является то, что печатные обмотки связаны через магнитный контур, магнитная проницаемость материала которого очень сильно зависит от температуры, что требует усложнения конструкции датчика, введением температурной компенсации. Кроме того, наличие магнитного контура позволяет использовать только низкий диапазон рабочих частот, что также снижает точность измерения.

Известен «Индукционный преобразователь линейных перемещений» по авт.св. СССР №1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 — [2], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала в виде коаксиальных трубок и продольными разрезами и с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными обмотоками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.

Также известен «Датчик положения» по патенту США US 2942212 от 21.06.1960 г., кл. 336-30 — [3], содержащий подвижную и неподвижную части из диэлектрического материала с нанесенными на них печатными зигзагоподобными прямоугольными обмотоками, активные проводники которых взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом.

Направление перемещения подвижной части относительно неподвижной в аналогах [2] и [3] осуществляется перпендикулярно активным длинным проводникам зигзагоподных прямоугольных катушек. Такое перемещение катушек относительно друг друга существенно усложняет схему обработки сигналов от датчика, снижает ее надежность и повышает стоимость производства.

Известна «Катушка индуктивного измерительного преобразователя» по авторскому свидетельству СССР №1552240 от 23.03.1990 г., МПК H01F 15/14, G01B7/00 — [4], содержащая неподвижное диэлектрическое основание с размещенной на ее поверхности зигзагоподобной обмоткой в виде распределенных на поверхности основания одинаковых четырехугольных разомкнутых ячеек и подвижную часть в виде якоря, который может быть изготовлен из диэлектрика — измеряет емкость обмотки, электропроводника — измеряет добротность обмотки, или ферромагнетик — измеряет индуктивность обмотки.

Недостатком аналога [4] является выполнение сложного геометрического канала в слое диэлектрика, укладка в него проводника обмотки и ее закрепление, что существенно усложняет технологию производства и ее стоимость. Кроме того, показания прототипа сильно зависят от температуры, при которой происходит его эксплуатация.

Прототипом предложенного технического решения является «Индукционный датчик положения» по патенту РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 г., МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 — [5], содержащий неподвижную часть и подвижную часть датчика, выполненные в виде пары плоских катушек из диэлектрического материала, обращенных друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными плоскими катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть установлена с возможностью перемещения с одной степенью свободы относительно неподвижной части вдоль активных длинных проводников зигзагоподных прямоугольных катушек. Причем неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части.

Недостатком прототипа [5] является наличие коммутационных проводов, подсоединенных к катушке подвижной части датчика, которые при динамических измерениях могут разрушится, что снижает долговечность и надежность индукционного датчика положения.

Недостаток прототипа ставит задачу существенного повышения надежности индукционного датчика положения.

Указанная задача решается тем, что для подвода напряжения на зигзагоподную прямоугольную плоскую катушку индуктивности подвижной части применена вторая пара катушек аналогична подвижной и неподвижной части первой пары, используемая как питающий трансформатор, причем подвижные части первой и второй пары датчиков жестко связаны между собой, а их катушки соединены между собой.

Таким образом, сущность заявляемого изобретения заключается в том, что индукционный датчик положения, содержащий неподвижную и подвижную части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части с одной степенью свободы вдоль активных длинных проводников зигзагоподных прямоугольных катушек, при этом индукционный датчик положения содержит вторую, аналогичную первой, пару плоских катушек с длинной неподвижной и короткой подвижной катушками, при этом длина неподвижной катушки больше длины подвижной катушки для всего диапазона ее перемещения, подвижные плоские катушки обеих пар разделены и жестко связаны между собой, ко второй неподвижной длинной катушке подведено питание от генератора синусоидального сигнала, подвижные катушки обеих пар соединены между собой проводниками.

Неподвижная часть первой пары плоских катушек индукционного датчика положения может содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения подвижной части с катушкой, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками неподвижной части.

Введение признаков: «индукционный датчик положения, содержащий неподвижную и подвижную части из диэлектрического материала, обращенные друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом, подвижная часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной части с одной степенью свободы вдоль активных длинных проводников зигзагоподных прямоугольных катушек» и «индукционный датчик положения содержит вторую, аналогичную первой, пару плоских катушек с длинной неподвижной и короткой подвижной катушками, при этом длина неподвижной катушки больше длины подвижной катушки для всего диапазона ее перемещения, подвижные плоские катушки обеих пар разделены и жестко связаны между собой, ко второй неподвижной длинной катушке подведено питание от генератора синусоидального сигнала, подвижные катушки обеих пар соединены между собой проводниками» необходимо для исключения из датчика коммутационных проводов подсоединенных к катушке подвижной части датчика, которые при динамических измерениях могут разрушиться. Этим решаются задачи существенного повышения долговечности и надежности работы индукционного датчика положения.

На фиг.1 представлены: а) первая пара неподвижной и подвижной части индукционного датчика с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными катушками индуктивности; б) вторая пара неподвижной и подвижной части индукционного датчика (вид на катушки). На фиг.2,а) — первая пара неподвижной и подвижной части индукционного датчика с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными катушками индуктивности в рабочем состоянии; б) вторая пара неподвижной и подвижной части индукционного датчика (неподвижная и подвижная части индукционного датчика перемещения обращены друг к другу катушками). На фиг.3,а) — первая пара неподвижной части датчика с двумя катушками и подвижной частью датчика с одной катушкой; б) вторая пара неподвижной и подвижной части индукционного датчика (вид на катушки). На фиг.4 — эквивалентная схема индукционного датчика по фиг.1 и по фиг.2. На фиг.5 — схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.1 и по фиг.2. На фиг.6 — эквивалентная схема индукционного датчика перемещения по фиг 3. На фиг.7 — схемотехническое решение для обеспечения работоспособности датчика по фиг.3.

Индукционный датчик положения содержит неподвижную 1 и подвижную 2 части с возможностью перемещения подвижной 2 части относительно неподвижной 1 части с одной степенью свободы. Неподвижная 1 и подвижная 2 части датчика выполнены из диэлектрического материала и обращены друг к другу сторонами с нанесенными на них печатными зигзагоподными прямоугольными катушками индуктивности, соответственно 3 и 4, с пассивными короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны и расположены с одинаковым шагом. При этом подвижная 2 часть установлена с возможностью перемещения относительно неподвижной 1 части вдоль активных длинных проводников зигзагоподных прямоугольных катушек 3 и 4. Направление перемещения подвижной части 2 относительно неподвижной 1 осуществляется параллельно активным длинным проводникам зигзагоподных прямоугольных катушек 3 и 4. При этом индукционный датчик положения содержит вторую, аналогичную первой, пару: неподвижную 5 и подвижную 6 части с возможностью перемещения подвижной 6 части относительно неподвижной 5 части с одной степенью свободы. Неподвижная дополнительная часть 5 содержит длинную плоскую катушку 7, а подвижная дополнительная часть 6 содержит короткую плоскую катушку 8. Длина неподвижной катушки 7 больше длины подвижной катушки 8 для всего диапазона ее перемещения. Подвижные плоские катушки 4 и 8 обеих пар частей индуктивного датчика 1, 2 и 5, 6 разделены и жестко связаны между собой, ко второй неподвижной длинной катушке 7 подведено питание от генератора синусоидального сигнала, а подвижные катушки 4 и 8 обеих пар соединены между собой проводниками.

Неподвижная часть индукционного датчика положения может содержать две части 9 и 10 с идентичными катушками 11 и 12, установленные вдоль направления перемещения подвижной части 13 с катушкой 14, которая при этом расположена в первоначальном состоянии по центру между неподвижными катушками 11 и 12, расположенным на неподвижных частях датчика 9 и 10. Катушки 11 и 12 могут быть нанесены на одну неподвижную часть, длина которой будет равна суме длин неподвижных частей 9 и 10 индуктивного датчика. При этом вторая, аналогичная первой, пара индуктивного датчика содержит, как указано выше, неподвижную 5 и подвижную 6 части с соответственно длинной неподвижной плоской катушкой 7 и подвижной короткой плоской катушкой 8. Также длина неподвижной катушки 7 больше длины подвижной катушки 8 для всего диапазона ее перемещения.

Для объяснения работы индукционного датчика перемещения могут быть применены эквивалентные схемы в виде измерительного трансформатора с линейно изменяющимся коэффициентом связи между катушками и с возбуждением от питающего трансформатора — фиг.4, или дифференциального измерительного трансформатора возбуждением от питающего трансформатора — фиг.6. Для обеспечения работоспособности индуктивных датчиков перемещения по структурным схемам фиг.4 и фиг.6 могут быть использованы типовые схемотехнические решения, представленные соответственно на фиг.5 и фиг.7.

На фиг.5: Г — генератор синусоидального сигнала питания первичной катушки 7 (неподвижной части 5 второй пары катушек) питающего трансформатора со вторичной катушкой 8 (подвижной части 6 второй пары катушек), катушка 8 соединена с первичной катушкой 4 (подвижной части 2 первой пары катушек) измерительного трансформатора, вторичной катушкой подвижной части 2; ПД — пиковый детектор; У — усилитель масштабный; U вых — аналоговый выходной сигнал с катушки 3, пропорциональный перемещению подвижной части 2 с катушкой 4.

На фиг.7: Г — генератор синусоидального сигнала питания первичной катушки 7 (неподвижной части 5 второй пары катушек) питающего трансформатора со вторичной катушкой 8 (подвижной части 6 второй пары катушек), катушка 8 соединена с первичной катушкой 14 (подвижной части 13 первой пары катушек) измерительного трансформатора, вторичные катушки которого 11 и 12 расположены на подвижных частях 9 и 10; ПД1 — пиковый детектор для катушки 11; ПД2 — пиковый детектор для катушки 12; У — усилитель масштабный; U вых — аналоговый выходной суммарный сигнал с катушек 11 и 12, пропорциональный перемещению подвижной плоской катушки 14 между неподвижными плоскими катушками 11 и 12.

Наличие в индуктивном датчике второй аналогичной первой, пары плоских катушек с длинной неподвижной и короткой подвижной катушками, у которой (пары частей) длина неподвижной катушки больше длины подвижной катушки для всего диапазона ее перемещения, позволяет исключить из датчика коммутационные подвижные провода, подсоединенные к катушке подвижной части датчика, и, следовательно, при динамических измерениях — существенно повысить долговечность и надежность работы индукционного датчика положения.

Реально для рабочих частот порядка 2-х МГц в габаритных размерах подвижной 13 части 42×22 мм и неподвижной части (9 и 10) 84×22 мм, шагом проводников катушек 11, 12 и 14, равным 0,8 мм, при ширине проводников 0,5 мм и воздушном зазоре между подвижной и неподвижной частью 0,2 мм рабочая зона по перемещению подвижной части 13 составляет 35 мм. Диапазон изменения выходного сигнала при этом составляет ±2 В с погрешностью преобразования не хуже ±0,5%.

Современная технология печатных плат позволяет изготавливать печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим при необходимости получения более высокой точности преобразования требования к шагу и ширине проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.

Как видно из вышеизложенного, наиболее целесообразно использовать такой индукционный датчик перемещения в системах контроля деформации различных объектов.

Полагаем, что предложенный индукционный датчик положения обладает всеми критериями изобретения, так как совокупность ограничительных и отличительных признаков формулы изобретения является новым для конструкций индукционных датчиков положения и, следовательно, соответствует критерию «новизна».

Совокупность признаков формулы изобретения предложенного устройства не известна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам разработки и конструирования индукционных датчиков положения, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».

Разработка, конструирование и внедрение предложенного индукционного датчика положения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».

Литература

1. Патент Франции: FR 2830614 A1 от 11.04.2003 г., МПК G01D 5/22 — «Бесконтактный датчик положения с взаимной индуктивностью».

2. Авторское свидетельство СССР по авт.св. СССР №1516751 от 23.10.1989 г., МПК G01B 7/00 — «Индукционный преобразователь линейных перемещений».

3. Патент США US 2942212 от 21.06.1960 г., кл. 336-30 — «Датчик положения».

4. Авторское свидетельство СССР №1552240 от 23.03.1990 года, МПК H01F 15/14, G01B 7/00 — «Катушка индуктивного измерительного преобразователя».

5. Патент РФ: RU 2454625 от 27.06.2012 года, МПК8 G01B 7/00, G01D 5/20 — «Индукционный датчик положения» — прототип.








% PDF-1.4 % 251 0 объект > эндобдж xref 251 72 0000000016 00000 н. 0000002321 00000 н. 0000002480 00000 н. 0000003038 00000 н. 0000003654 00000 н. 0000004204 00000 н. 0000004241 00000 н. 0000004865 00000 н. 0000004979 00000 п. 0000005091 00000 н. 0000005767 00000 н. 0000006365 00000 н. 0000006793 00000 н. 0000007236 00000 п. 0000007598 00000 н. 0000008259 00000 н. 0000008844 00000 н. 0000009495 00000 н. 0000009962 00000 н. 0000010478 00000 п. 0000010923 00000 п. 0000011456 00000 п. 0000011922 00000 п. 0000012035 00000 п. 0000012465 00000 п. 0000013005 00000 п. 0000013730 00000 п. 0000014232 00000 п. 0000016882 00000 п. 0000021414 00000 п. 0000023408 00000 п. 0000023740 00000 п. 0000024147 00000 п. 0000026425 00000 н. 0000029633 00000 п. 0000030025 00000 п. 0000033496 00000 п. 0000033620 00000 п. 0000033695 00000 п. 0000033792 00000 п. 0000033941 00000 п. 0000034054 00000 п. 0000034481 00000 п. 0000034556 00000 п. 0000098633 00000 п. 0000102615 00000 н. 0000102739 00000 н. 0000112406 00000 н. 0000112445 00000 н. 0000112520 00000 н. 0000112595 00000 н. 0000112919 00000 н. 0000112974 00000 п. 0000113090 00000 н. 0000113165 00000 н. 0000113464 00000 н. 0000113742 00000 н. 0000115749 00000 н. 0000115824 00000 н. 0000115899 00000 н. 0000115978 00000 н. 0000116057 00000 н. 0000116177 00000 н. 0000116326 00000 н. 0000116641 00000 п. 0000116696 00000 н. 0000116812 00000 н. 0000117092 00000 п. 0000120998 00000 н. 0000152082 00000 н. 0000002140 00000 н. 0000001770 00000 н. трейлер ] / Назад 302188 / XRefStm 2140 >> startxref 0 %% EOF 322 0 объект > поток hb«a`c`c`de @

Все о датчиках положения (типы, применение и характеристики)

Датчики положения дроссельной заслонки обеспечивают обратную связь с системой впрыска топлива автомобиля.

Изображение предоставлено: ЛЕВЧЕНКО ХАННА / Shutterstock.com

Датчики положения — это устройства, которые могут обнаруживать движение объекта или определять его относительное положение, измеренное от установленной контрольной точки. Эти типы датчиков также могут использоваться для обнаружения присутствия объекта или его отсутствия.

Существует несколько типов датчиков, которые служат аналогично датчикам положения и о которых стоит упомянуть. Датчики движения обнаруживают движение объекта и могут использоваться для запуска действия (например, включения прожектора или активации камеры наблюдения).Датчики приближения также могут обнаружить, что объект попал в зону действия датчика. Таким образом, оба датчика можно рассматривать как специализированную форму датчиков положения. Дополнительную информацию об этих датчиках можно найти в наших руководствах по датчикам приближения и датчикам света движения. Одно из отличий датчиков положения заключается в том, что они по большей части связаны не только с обнаружением объекта, но и с записью его положения и, следовательно, включают использование сигнала обратной связи, который содержит информацию о местоположении.

В этой статье будет представлена ​​информация о различных типах датчиков положения, о том, как они работают, как они используются, а также об основных характеристиках, связанных с этим классом датчиков. Чтобы узнать больше о других типах датчиков, см. Наши соответствующие руководства, которые охватывают различные типы датчиков и их использование, а также различные типы датчиков Интернета вещей (IoT). В данной статье предполагается, что термины датчик положения и датчик положения являются синонимами.

Типы датчиков положения

Общая цель датчика положения — обнаружить объект и передать его положение посредством генерации сигнала, обеспечивающего обратную связь по положению.Затем эту обратную связь можно использовать для управления автоматическими ответами в процессе, звуковыми сигналами или запуском других действий, продиктованных конкретным приложением. Вообще говоря, датчики положения можно разделить на три широких класса, которые включают датчики линейного положения, датчики поворотного положения и датчики углового положения. Существует несколько конкретных технологий, которые можно использовать для достижения этого результата, и различные типы датчиков положения отражают эти лежащие в основе технологии.

К основным типам датчиков положения относятся следующие:

  • Потенциометрические датчики положения (резистивные)
  • Индуктивные датчики положения
  • Вихретоковые датчики положения
  • Емкостные датчики положения
  • Магнитострикционные датчики положения
  • Магнитные датчики положения на основе эффекта Холла
  • Волоконно-оптические датчики положения
  • Оптические датчики положения
  • Ультразвуковые датчики положения

Потенциометрические датчики положения

Потенциометрические датчики положения

— это датчики на основе сопротивления, в которых используется резистивная дорожка со скребком, прикрепленным к объекту, положение которого отслеживается.Движение объекта заставляет стеклоочиститель изменять свое положение вдоль дорожки сопротивления и, следовательно, изменять измеренное значение сопротивления между положением дворника и концом дорожки. Таким образом, измеренное сопротивление можно использовать как индикатор положения объекта. Это достигается за счет использования делителя напряжения, в котором фиксированное напряжение прикладывается к концам дорожки сопротивления, а измеренное напряжение от положения дворника до одного конца дорожки дает значение, пропорциональное положению стеклоочистителя.Этот подход работает как для линейных, так и для вращательных перемещений.

Потенциометры

, используемые для потенциометрических датчиков положения, включают проволочную обмотку, металлокерамику или пластиковую (полимерную) пленку. Эти типы датчиков положения предлагают относительно низкую стоимость, но также страдают низкой точностью и воспроизводимостью. Кроме того, конструктивные ограничения устройства по размеру ограничивают диапазон, в котором можно измерить изменение положения.

Индуктивные датчики положения

Индуктивные датчики положения определяют положение объекта по изменению характеристик магнитного поля, которое индуцируется в катушках датчика.Один из типов называется LVDT или линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор. В датчике положения LVDT три отдельные катушки намотаны на полую трубку. Одна из них — первичная обмотка, а две другие — вторичные обмотки. Они соединены электрически последовательно, но фазовое соотношение вторичных катушек составляет 180 o несогласованных по фазе относительно первичной катушки. Ферромагнитный сердечник или якорь помещается внутри полой трубы, и якорь соединяется с объектом, положение которого измеряется.На первичную катушку подается сигнал напряжения возбуждения, который индуцирует ЭДС во вторичных катушках LVDT. Измеряя разность напряжений между двумя вторичными катушками, можно определить относительное положение якоря (и, следовательно, объекта, к которому он прикреплен). Когда якорь находится точно по центру трубки, ЭДС компенсируются, что приводит к отсутствию выходного напряжения. Но по мере того, как якорь перемещается из нулевого положения, напряжение и его полярность изменяются. Следовательно, амплитуда напряжения вместе с его фазовым углом служит для предоставления информации, которая отражает не только величину отклонения от центрального (нулевого) положения, но и его направление.На рисунке 1 ниже показана работа линейно-переменного дифференциального трансформатора, показывающая преобразование измерения напряжения в индикацию положения.

Рисунок 1 — Работа индуктивного датчика положения LVDT

Изображение предоставлено: https://www.electronics-tutorials.ws

Эти типы датчиков положения обеспечивают хорошую точность, разрешение, высокую чувствительность и хорошую линейность во всем диапазоне измерения. Они также не имеют трения и могут быть герметизированы для использования в условиях, где может быть воздействие элементов.

В то время как LVDT функционируют для отслеживания линейного движения, эквивалентное устройство, называемое RVDT (от Rotary Voltage Differential Transformer), может обеспечивать отслеживание вращательного положения объекта. RVDT функционирует идентично LVDT и отличается только особенностями их конструкции.

Вихретоковые датчики положения

Вихревые токи — это индуцированные токи, которые возникают в проводящем материале в присутствии изменяющегося магнитного поля и являются результатом закона индукции Фарадея.Эти токи протекают по замкнутым контурам и, в свою очередь, приводят к генерации вторичного магнитного поля.

Если катушка возбуждается переменным током для создания первичного магнитного поля, присутствие проводящего материала, поднесенного к катушке, может быть обнаружено из-за взаимодействия вторичного поля, создаваемого вихревыми токами, которое влияет на импеданс катушка. Таким образом, изменение импеданса катушки можно использовать для определения расстояния объекта от катушки.

Вихретоковые датчики положения работают с электропроводящими объектами. Большинство вихретоковых датчиков работают как датчики приближения, предназначенные для определения приближения объекта к месту расположения датчика. Они ограничены как датчики положения, потому что они всенаправленные, что означает, что они могут определять относительное расстояние объекта от датчика, но не направление объекта относительно датчика.

Емкостные датчики положения

Емкостные датчики положения основаны на обнаружении изменения значения емкости для определения положения измеряемого объекта.Конденсаторы состоят из двух пластин, отделенных друг от друга диэлектрическим материалом между пластинами. Есть два общих метода, которые используются для определения положения объекта с помощью емкостного датчика положения:

  1. Путем изменения диэлектрической проницаемости конденсатора
  2. Путем изменения площади перекрытия пластин конденсатора

В первом случае измеряемый объект прикреплен к диэлектрическому материалу, положение которого относительно пластин конденсатора изменяется по мере движения объекта.По мере смещения диэлектрического материала эффективная диэлектрическая проницаемость конденсатора изменяется в результате частичной площади диэлектрического материала, а баланс — диэлектрической проницаемости воздуха. Этот подход обеспечивает линейное изменение значения емкости по отношению к относительному положению объекта.

Во втором случае, вместо того, чтобы прикреплять объект к диэлектрическому материалу, он подключается к одной из обкладок конденсатора. Следовательно, когда объект перемещает свое положение, область перекрытия пластин конденсатора изменяется, что снова изменяет значение емкости.

Принцип изменения емкости для измерения положения объекта может применяться к движению как в линейном, так и в угловом направлениях.

Магнитострикционные датчики положения

Ферромагнитные материалы, такие как железо, никель и кобальт, обладают свойством, известным как магнитострикция, что означает, что материал будет изменять свой размер или форму в присутствии приложенного магнитного поля. Магнитострикционный датчик положения использует этот принцип для определения положения объекта.

К измеряемому объекту прикреплен подвижный позиционный магнит. Волновод, который состоит из провода, по которому передается импульс тока, подключен к датчику, расположенному на конце волновода. Позиционный магнит создает аксиальное магнитное поле, силовые линии которого копланарны по отношению к магнитострикционной проволоке и волноводу. Когда по волноводу посылается импульс тока, в проводе создается магнитное поле, которое взаимодействует с осевым магнитным полем постоянного магнита (позиционного магнита).Результатом полевого взаимодействия является скручивание, известное как эффект Видемана. Это скручивание вызывает напряжение в проводе, которое генерирует звуковой импульс, который проходит по волноводу и обнаруживается датчиком на конце волновода. Путем измерения времени, прошедшего между инициированием импульса тока и обнаружением звукового импульса, магниторестрикционный датчик положения может установить относительное расположение позиционного магнита.

Поскольку звуковая волна будет распространяться от места, где расположен позиционный магнит, в двух направлениях (как по направлению к датчику датчика, так и от него), на противоположном конце волновода расположено демпфирующее устройство для поглощения импульса, распространяющегося от датчик, чтобы он не приводил к отражению мешающего сигнала обратно к датчику захвата.На рисунке 2 ниже показан принцип работы магнитострикционного датчика положения.

Рисунок 2 — Работа магниторезистивного датчика положения.

Изображение предоставлено: https://www.sensorland.com/HowPage024.html

Магниторестрикционные датчики положения по своей природе используются для определения линейного положения. Они могут быть оснащены несколькими позиционными магнитами для предоставления информации о положении нескольких компонентов вдоль одной оси.Это бесконтактные датчики, и, поскольку волновод обычно помещается в трубку из нержавеющей стали или алюминия, эти датчики могут использоваться в приложениях, где они могут быть источником загрязнения. Кроме того, магнитострикционные датчики положения могут работать даже при наличии барьера между волноводом и позиционным магнитом при условии, что барьер изготовлен из немагнитного материала.

Датчики доступны с различными выходами, включая напряжение постоянного тока, ток, сигнал ШИМ и цифровые импульсы старт-стоп.

Магнитные датчики положения на основе эффекта Холла

Эффект Холла утверждает, что когда тонкий плоский электрический проводник имеет ток, протекающий через него, и помещается в магнитное поле, магнитное поле воздействует на носители заряда, заставляя их накапливаться на одной стороне проводника относительно другой, чтобы уравновесить интерференцию магнитного поля. Это неравномерное распределение электрических зарядов приводит к созданию разности потенциалов между двумя сторонами проводника, известной как напряжение Холла.Этот электрический потенциал возникает в направлении, поперечном направлению потока электрического тока и направлению магнитного поля. Если ток в проводнике поддерживается на постоянном уровне, величина напряжения Холла будет напрямую отражать силу магнитного поля.

В датчике положения на эффекте Холла объект, положение которого измеряется, соединен с магнитом, размещенным на валу датчика. По мере движения объекта положение магнита изменяется относительно элемента Холла в датчике.Это перемещение положения затем изменяет силу магнитного поля, приложенного к элементу Холла, которое, в свою очередь, отражается как изменение измеренного напряжения Холла. Таким образом, измеренное напряжение Холла становится индикатором положения объекта.

Волоконно-оптические датчики положения

В оптоволоконных датчиках положения используется оптическое волокно с набором фотодетекторов, расположенных на каждом конце волокна. Источник света прикреплен к объекту, за движением которого наблюдают.Световая энергия, которая направляется во флуоресцентное волокно в месте расположения объекта, отражается в волокне и направляется к любому концу волокна, где она обнаруживается фотодетекторами. Логарифм отношения измеренной оптической мощности, наблюдаемой на двух фотодетекторах, будет линейной функцией расстояния от объекта до конца волокна, и поэтому это значение можно использовать для получения информации о местоположении объекта.

Оптические датчики положения

Оптические датчики положения работают по одному из двух принципов.В первом типе свет передается от излучателя и направляется к приемнику на другом конце датчика. Во втором типе излучаемый световой сигнал отражается от контролируемого объекта и возвращается к источнику света. Изменение характеристик света (например, длины волны, интенсивности, фазы, поляризации) используется для получения информации о положении объекта. Эти типы датчиков делятся на три категории:

  • Прозрачные оптические энкодеры
  • Датчики оптические отражательные
  • Интерференционные оптические энкодеры

Оптические датчики положения на базе энкодера доступны как для линейного, так и для вращательного движения.

Ультразвуковые датчики положения

Подобно оптическим датчикам положения, ультразвуковые датчики положения излучают высокочастотную звуковую волну, обычно генерируемую пьезоэлектрическим кристаллическим преобразователем. Ультразвуковые волны, генерируемые датчиком, отражаются от измеряемого объекта или цели обратно к датчику, где генерируется выходной сигнал. Ультразвуковые датчики могут работать как датчики приближения, когда они сообщают об объекте, находящемся в заданном диапазоне от датчика, или как датчик положения, который предоставляет информацию о дальности.Преимущества ультразвуковых датчиков положения заключаются в том, что они могут работать с целевыми объектами из различных материалов и поверхностей, а также обнаруживать небольшие объекты на большем расстоянии, чем другие типы датчиков положения. Они также устойчивы к вибрации, окружающему шуму, электромагнитным помехам и инфракрасному излучению.

Характеристики датчика положения

Конкретные параметры, определяющие работу датчика положения, будут варьироваться в зависимости от выбранного типа датчика, поскольку основные технологические принципы меняются от типа к типу.Некоторые ключевые характеристики, которые следует учитывать, которые применимы к большинству датчиков положения, следующие:

  • Диапазон измерения — указывает диапазон расстояний от датчика, для которого можно получить измеренное значение.
  • Разрешение — определяет значение наименьшего приращения положения, которое может измерить датчик.
  • Точность — мера степени, в которой измеренное положение соответствует фактическому положению измеряемого объекта.
  • Повторяемость — отражает диапазон значений, полученных для измеренного положения, когда датчик выполняет идентичное измерение с течением времени.
  • Линейность — степень отклонения от линейного поведения выходного сигнала, измеренного в диапазоне выходного сигнала для датчика.

Другие рекомендации по выбору датчиков положения включают:

  1. Размер и вес датчика
  2. Предоставляет ли датчик абсолютную или инкрементную информацию о положении
  3. Диапазон рабочих температур для прибора
  4. Способность датчика противостоять другим условиям окружающей среды и эксплуатации, таким как наличие конденсата, загрязнения или механических ударов и вибрации
  5. Простота установки
  6. Начальная стоимость

Примеры применения датчика положения

Датчики положения имеют множество применений и лежат в основе многих автоматизированных процессов.Знакомая — автоматизированная автомойка. Датчики положения используются, чтобы определить, где находится автомобиль, когда он проезжает через автомойку. Это позволяет активировать уборочное оборудование в нужное время. Чтобы автомойка могла очистить шины, ей необходимо знать, где они находятся и когда они находятся в правильном положении, чтобы наносить чистящие средства или средства защиты шин. Учитывая тот факт, что автомобили бывают разных размеров, необходимы датчики положения, чтобы определять, когда начинать и останавливать процесс очистки, чтобы автомойка могла адаптироваться к различным транспортным средствам и при этом эффективно очищать их все.

Датчики положения также используются для управления оборудованием. Индуктивные датчики, которые представляют собой большие петли проводов, встроенные в дороги, используются для обнаружения присутствия транспортных средств на полосе левого поворота, чтобы система управления движением могла активировать светофор. На парковках с системами контроля доступа датчики положения используются для подъема ворот при приближении транспортных средств. Лифты используют датчики положения, чтобы определить, что лифт правильно расположен на определенном этаже и что двери лифта можно безопасно открывать.

В промышленных процессах на автоматизированных производственных линиях используются датчики положения, чтобы убедиться, что продукты правильно расположены перед автоматическим этапом процесса, таким как распыление краски на кузов автомобиля или добавление воды в бутылку с водой. В медицинских учреждениях есть сканеры МРТ, в которых используются датчики положения, чтобы убедиться, что положение пациента правильное, перед сканированием или визуализацией, а также для перемещения пациента через аппарат МРТ.

Автомобильные конструкторы и инженеры используют датчики положения для измерения важных параметров двигателя, таких как положение коленчатого вала и положение дроссельной заслонки.

Камеры видеонаблюдения, которые имеют возможность сканирования и наклона, будут использовать датчики положения для определения относительного направления камеры, чтобы гарантировать, что она правильно ориентирована для оптимального обзора.

Сводка

В этой статье представлен обзор датчиков положения, включая их описание, типы, основные характеристики и способы их использования. Для получения информации по другим темам обратитесь к нашим дополнительным руководствам или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы можете найти потенциальные источники поставок для более чем 70 000 различных категорий продуктов и услуг.

Источники:
  1. https://www.electronics-tutorials.ws
  2. https://www.azosensors.com/article.aspx?ArticleID=308
  3. https://www.engineersgarage.com
  4. https://www.positek.com/
  5. https://www.te.com/usa-en/products/sensors/position-sensors.html
  6. https://www.sensorland.com/HowPage024.html
  7. https://www.celeramotion.com/zettlex/support/technical-papers/position-sensors-choosing-the-right-sensor/
  8. https: // www.linearmotiontips.com/how-do-magnetostrictive-sensors-work/
  9. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/Hall.html
  10. https://www.migatron.com/understanding-ultrasonic-technology/

Датчики прочие изделия

Больше от Instruments & Controls

Borla 206019 — Индукционный датчик положения дроссельной заслонки

Все товары по автомобилям — Автомобили GM —— Chevy Camaro (2016 +) —— Chevy Camaro (2010-2015) —— Chevy Corvette C8 (2020 +) — — Chevy Corvette C7 (2014 +) —— Chevy Corvette C6 (2005-2013) —— Chevy Corvette C5 (1997-2004) —— Chevy Corvette C4 (1984- 1996) —— Chevy SS Sedan (2014-2017) —— Pontiac G8 (2008-2009) —— Pontiac GTO (2004-2006) —— Cadillac CTS -V (2016 +) —— Cadillac CTS-V (2009-2015) —— Cadillac CTS-V (2004-2007) —— F-Кузов (1998-2002) —— F-Body (1993-1997) —— Cadillac ATS (2013 +) —— Гран-при, Импала и Монте-Карло — GM Truck & SUV — — Полноразмерные грузовики и внедорожники GM (2019 +) —— Полноразмерные грузовики и внедорожники GM (2014-2018) —— Полноразмерные грузовики и внедорожники GM (2007-2013) —— Полноразмерный грузовик GM и внедорожник (1998-2006) —— Chevy Trailblazer SS (2006-2009) —— Chevy SSR (2003-2006) —— GM Duramax Diesel (2001+) — Jeep —— Jeep Grand Cherokee WK2 (2011 +) —— Jeep Grand Cherokee WK1 (2006-2010) —— Jeep Wrangler JK (2007-2018) — — Jeep Wrangler JL (2018 г. +) — Mopar Cars —— Dodge Challenger (2008 +) —— Dodge Charger, Magnum и 300 (2005+) —— Dodge Viper — Mopar Truck & SUV —— Dodge Ram (2019 +) —— Dodge Ram 2002-2018 —— Dodge Durango —— Dodge Ram Diesel (2002 +) — Ford Cars- —— Ford Mustang (2015 +) —— Ford Mustang (2011-2014) —— Ford Mustang (2005-2010) —— Ford Mustang (1994-2004) —— Ford Mustang (1985-1993) —— Ford Taurus (2010-2017) — Ford Truck & SUV —— Ford F-150 и Raptor (2015 +) — —— Ford F-150 и Raptor (2009-2014) —— Ford Super Duty (1999-2007) —— Ford F-150 (1997-2004) —— — Ford Super Duty (2011 +) —— Ford Super Duty (2008-2010) — BMW —— Все BMW — Импортный автомобиль и Sport Compact —— Kia Stinger —— Toyota Supra (2020 +) —— Subaru и Scion —— Прочие импортные и спортивные компактные — Импортные грузовики и внедорожники —— Все импортные грузовики и внедорожники — Центральная принудительная индукция —— Контроллеры наддува —— Топливная система — Специальная выхлопная система —— Выхлопные зажимы — CSP GearInterchiller Central

Поиск ПОИСК

Меггитт Мощность и измерения | »Датчики положения RVDT

Надежное и надежное средство измерения положения для вашего приложения

Наши датчики углового положения либо сконструированы как линейные заменяемые блоки (LRU), либо могут быть установлены внутри сервоприводов.Они обеспечивают дифференциальные электрические выходы, дающие изображение измеренного угла.

Мы также можем разработать электрические модули для питания датчика и обработки сигнала на выходе постоянного тока.

* RVDT = Ротационный дифференциальный трансформатор

Характеристики и преимущества индуктивных датчиков углового положения

Целостность сигнала датчика, включая его соединительную проводку, легко определяется путем проверки суммы выходных напряжений

  • Точное позиционирование и наведение

Точность от ± 1% полной шкалы для стандартного датчика RVDT

  • Простота установки и обслуживания

Датчики могут иметь ручную / автоматическую блокировку и разблокировку

  • Дополнительные индивидуальные элементы дизайна

Электрическое, а также механическое резервирование (до 4 каналов).Редукторы для многооборотных движений (например, приводные валы капота или закрылков / предкрылков)

Доказанная надежность для авиакосмической и оборонной промышленности

Наши инженеры проектируют каждое устройство таким образом, чтобы оно было идеально настроено для каждого приложения

Как определить движение самолета

Вот различные механизмы, которые мы можем использовать для определения углового положения:

  • Входной вал простой гладкий
  • Механический сильфон и двухходовой привод (для определения деталей, которые деформируются при высоких нагрузках, обеспечивая при этом резервирование привода, например.г. валы реверсоров дверей)
  • Пользовательские рычаги ввода (например, для поверхностей управления полетом)
  • Шестерня входная на валах
  • Входная шестерня на подвижном рычаге для компенсации радиального перемещения измеряемой части (например, для определения угла поворота рулевого колеса передней стойки шасси)

Приложения

Наши индуктивные датчики положения в основном используются в аэрокосмической и оборонной промышленности:

  • Органы управления в кабине (дроссельная заслонка, закрылки и предкрылки, педали тормоза…)
  • Органы управления двигателем (форсунка, дверцы реверсора тяги…)
  • Органы управления полетом (положение)

Компания Meggitt может предоставить вам индуктивные датчики углового положения RVDT, специально разработанные для вашего применения.Чтобы обсудить то, что вам нужно более подробно, свяжитесь с нами.

Резонансные индуктивные датчики положения

, принцип работы датчиков


Резонансные индуктивные датчики положения


Резонансные индуктивное определение положения — это бесконтактная технология для определение линейного и вращательного смещения. Это эволюция промышленный стандарт LVDT (линейное измерение) и RVDT (поворотный зондирование).

Ключевое отличие состоит в замене сложных обмоток катушки с сенсорной платой, построенной по традиционной технологии печатных плат. Печать катушки на печатной плате значительно снижает стоимость и позволяет датчикам быть тесно интегрированным с другими схемами.


Рис 1: линейно-резонансный индуктивный датчик 50 мм

В отличие от LVDT и РВДТ подвижный элемент не требует тщательной центровки с чувствительными катушками.Вместо этого резонатор с магнитной связью отмечает положение цели. Это уникальный электронный подпись сродни вибрации камертона. Эта вибрация легко отличить от металлов и других предметов рядом с датчик, который в противном случае был бы обнаружен датчиком вдоль с целью.

Рис.2 : Мишень для резонансного индуктивного датчика, построенного TDK-EPC

Используемые катушки для построения мишени индуктор может быть намотан, как показано выше, или напечатаны на печатной плате.Обмотка дает гораздо более высокую добротность, что означает более крупные сигналы и, следовательно, более высокое разрешение и лучшее невосприимчивость к электромагнитным помехам.

Рис 3: Эквивалентная схема простого резонансного индуктивного датчика

А резонансный индуктивный датчик положения использует катушки для возбуждения резонатора внутри цели и для обнаружения возвращаемых ею сигналов. В количество катушек и их форма зависит от области применения и зондирование геометрии.Дигитайзеры, используемые в планшетных ПК производства Wacom определяет положение резонатора внутри пера относительно к сенсорной плате, расположенной за дисплеем. Это может быть 17 дюймов поперек и составляют х / у массив, возможно, из 50 катушек. тем не мение для определения линейного и поворотного положения гораздо меньшее число катушек не требуется. Практический минимум — 3, как показано. в эквивалентной схеме выше.

Обработка электроника, необходимая для резонансных индуктивных датчиков положения должен определять коэффициенты связи между целью и датчиком катушки (kCOS и kSIN на рисунке выше).Позиция рассчитывается от этих значений. Расчет обычно является логометрическим. один так, чтобы абсолютные уровни сигнала, добротность и температура имеют минимальный эффект.

Два разных широко используются методы определения коэффициентов связи: непрерывное и импульсное эхо. Для непрерывной работы электронный процессор подает ток в катушку (катушки) возбуждения датчика и измеряет ЭДС, индуцированные резонатором в сенсорных катушках. непрерывно.Чтобы помочь отделить сигнал резонатора от этого близлежащих металлов и прямой прорыв от возбуждения к датчику катушки, процессор использует синхронное обнаружение. Электрический фаза обнаружения установлена ​​на 90 ° от нежелательных сигналы, чтобы они были устранены. Однако точный контроль по фазе затруднен из-за изменчивости от единицы к единице и перепады температуры, а остаточный прорыв вызывает неточность и дрейфовать.

Импульсное эхо обнаружение используется в системах более высокого качества, потому что оно чисто отделяет сигнал резонатора от нежелательных. Обработка электроника сначала генерирует форму волны возбуждения, которая включает количество циклов тока на частоте резонатора. Этот ток вызывает колебания в резонаторе. В ток затем удаляется. Колебания в резонаторе начинаются разлагаться.Электронная обработка обнаруживает наведенные ЭМП. за счет затухающих колебаний в катушках сенсорной платы. Эти ЭДС пропорциональны требуемым коэффициентам связи. между резонатором и сенсорными катушками.

Рис.4 : Запрос импульсного эхо

Как отмечалось выше, сенсорные платы бывают разных размеров и геометрии. Эти детали определить взаимосвязь между коэффициентом связи и положением, и, следовательно, вычисления требуются внутри процессора.Одна из простейших схем расположения катушек предназначена для получения синусоидальная зависимость между коэффициентом связи и положением, с катушками COS и SIN в (пространственной) фазовой квадратуре. Это может может быть достигнуто с помощью схемы катушки, показанной ниже.

Рис 5 : Линейный датчик с синусоидальным рисунком катушки датчика

Возбуждение катушка по периметру датчика «загорается» резонатор (kEX) не зависит от положения.Катушка SIN дает синусоидальное изменение коэффициента связи, а катушка COS — квадратурный эквивалент. В этом случае расчет позиции выполняется с использованием «4-х квадрантной арктангенса». Это эквивалентно измерению угла (Pr) (kCOS, kSIN), как показано ниже.

Рис.6 : Расчет положения для датчика с синусоидальной структурой

Этот расчет логометрический, потому что он зависит только от относительного значения двух коэффициентов связи kCOS и kSIN.Если они оба удвоены или уменьшенный вдвое, угол Pr остается прежним. Это дает иммунитет к колебаниям напряжения питания, сопротивлений катушек, температуры и чувствительность обрабатывающей электроники.

Обработка электроника для резонансного индуктивного датчика положения идеально реализован на одном чипе, таком как CAM204 Central Tracking Чип Unit (CTU) от CambridgeIC. Это может использоваться вместе с множеством различных линейных и поворотных датчиков.Один из привлекательные особенности резонансного индуктивного определения положения это способность одного чипа измерять несколько осей, так как показано ниже. Такая компоновка дает особенно дорогостоящие эффективное решение, потому что один и тот же чип может распознавать несколько топоры.

Рис.7: Многоосевой резонансный индуктивный система датчиков положения с использованием однопроцессорной микросхемы

Сильные стороны и недостатки резонансных индуктивных датчиков положения обобщены. в таблице ниже.

Резонансное индуктивное определение положения
Сильные стороны Слабые стороны
* Работает в суровых условиях

* Экстремальные температуры оказывают минимальное влияние на выход

* Может определять расстояние в несколько миллиметров между датчиком и target

* Простая механическая интеграция

* Без потери абсолютного положения при включении питания

* Однопроцессорный чип может определять несколько осей

* Датчики построены на основе обычных печатных плат и могут быть интегрированы с другими схемами

* Отсутствие сложных материалов или производственных процессов

* Рентабельность

* Не распознается через металл из-за к вихревым токам

* Измерение требует времени (~ 100 мкс или более)

* Разрешение и точность не могут соответствовать лучшим оптическим энкодерам

* Существует ограничение на то, насколько маленькие датчики и цели могут быть изготовлены



Дополнительная статья Нет.126- Поворотно-резонансный индуктивный датчик на 360 ° — посмотреть >>

Legal
Это документ & COPY; 2010 г. Cambridge Integrated Circuits Ltd (CambridgeIC). Запрещается полное или частичное воспроизведение в письменной форме. или в электронной форме без согласия CambridgeIC. Этот документ может быть изменен без предварительного уведомления. Это и продукты описанные в нем («Продукты»), поставляются «как есть» основы, и никаких гарантий относительно их пригодности для каких-либо конкретных цель либо сделана, либо подразумевается.CambridgeIC не принимает любые претензии о возмещении ущерба в результате отказа Продукции. Продукты не предназначены для использования в медицинских целях, или другие приложения, где их сбой может быть обоснованно может привести к травмам. Публикация этого документ не подразумевает лицензию на использование патентов или других интеллектуальных имущественные права.



Эта информация был любезно предоставлен:

Cambridge Integrated Circuits Ltd
21 Sedley Taylor Road, Кембридж, CB2 8PW.UK
Тел .: +44 (0) 1223 413500
Эл. Почта: [email protected]
Интернет : www.cambridgeic.com

Ноябрь 2010 г.

Датчик положения коленчатого вала (индуктивный — плавающий)

Дополнительные указания

Датчик положения коленчатого вала подает на модуль управления двигателем (ЕСМ) свой основной опорный сигнал синхронизации двигателя. Контроллер ЭСУД использует его для расчета частоты вращения и положения двигателя для точного управления впрыском и зажиганием.Сигнал также используется для обнаружения аномалий оборотов двигателя из-за пропусков зажигания и т. Д.

Индуктивный датчик CKP состоит из цепи с проволокой, намотанной вокруг магнита. Датчик сопровождается импульсным колесом, обычно расположенным по окружности маховика. Колесо импульсов проходит сквозь магнитное поле датчика и нарушает его, вызывая в цепи напряжение. Индуцированное напряжение зависит от частоты вращения двигателя: чем быстрее вращается импульсное колесо, тем больше возмущение магнитного поля.

Когда центры зубцов или зазоров совмещены с датчиком, возникает равное и противоположное возмущение магнитного поля, и напряжение не индуцируется.И наоборот, когда передняя или задняя кромка зуба совмещается с датчиком, возмущение магнитного поля и индуцированное напряжение являются наибольшими.

Положительное напряжение создается, когда передняя кромка зуба находится ближе, чем его задняя кромка, а отрицательное напряжение создается в противоположном случае.

Отсутствующий зуб на импульсном колесе представляет собой основную временную метку. Когда зазор проходит через магнитное поле, возникает период уменьшения возмущений и напряжения. Кроме того, задняя и передняя кромки зубцов, которые непосредственно предшествуют зазору и следуют за ним, расположены дальше друг от друга, поэтому они создают большее суммарное возмущение магнитного поля и индуцированное напряжение.

Двухконтактный датчик положения коленчатого вала и цепь ECM могут быть скомпонованы двумя способами:

    ,
  • — постоянное опорное, неплавающее напряжение с одной стороны датчика и выходной сигнал датчика с другой; или
  • — плавающее напряжение с зеркальными выходными сигналами на каждой стороне датчика.

Сигнал датчика CKP имеет решающее значение для работы ECM, и сбои могут вызывать такие симптомы, как:

  • Двигатель проворачивается, но не запускается
  • Симптомы отключения двигателя
  • Подсветка контрольной лампы неисправности (MIL)
  • Диагностические коды неисправностей (DTC)

Возможные неисправности:

  • Короткое замыкание, обрыв или высокое сопротивление цепи.
  • Ошибки сигнала из-за чрезмерного загрязнения и детрита на корпусе датчика или импульсном колесе.
  • Неправильная установка или работа датчика или компонентов коленчатого вала, вызывающая:
    • Чрезмерные зазоры между датчиком и импульсным колесом
    • Повреждение корпуса датчика или импульсного колеса
    • Чрезмерное движение или вибрация кривошипа или маховика

Датчики положения | Емкостный индуктивный LVDT поворотный энкодер рабочий

В этом руководстве мы узнаем о датчиках положения.Датчики положения играют важную роль в нашей повседневной жизни, поскольку они широко используются в бытовых продуктах, автомобилях, офисах или промышленных помещениях и т. Д. Датчики положения, как следует из названия, обеспечивают обратную связь о положении измеряемой величины (измеряемой величины) .

Введение

Датчики положения обеспечивают управление движением, подсчет и задачи кодирования путем определения наличия или отсутствия цели или путем определения ее направления, скорости, движения или расстояния.

Датчик положения может определять положение объекта или нарушение электрического или магнитного поля и преобразовывать этот физический параметр в выходной электрический сигнал, чтобы указать положение цели.

По мере совершенствования технологии сенсорные устройства продолжают становиться меньше, дешевле и производительнее, открывая шлюз для большего числа приложений.

Типы датчиков положения

Датчики положения обычно делятся на два типа в зависимости от способа измерения.

Их

  • Контактные устройства
  • Бесконтактные устройства

Как видно из названия, датчики положения контактного типа имеют физический контакт с измеряемой величиной.Датчики на основе контакта — это концевые выключатели и датчики положения на основе сопротивления. Контактные датчики обеспечивают простые и недорогие решения в приложениях, где допустим физический контакт с объектом.

Бесконтактные устройства не имеют физического контакта с объектом. Это магнитные датчики, датчики приближения, датчики на основе эффекта Холла и ультразвуковые датчики.

Каждый датчик положения имеет свои преимущества и недостатки. Цель состоит в том, чтобы выбрать датчик, который является экономически эффективным решением для параметров конкретного приложения.

Датчик положения на основе сопротивления или потенциометрический

Резистивные датчики положения также называются потенциометрами или датчиками положения. Изначально они были разработаны для использования в военных целях. Они использовались в радиоприемниках и телевизорах в качестве ручек регулировки, устанавливаемых на панели. Потенциометры могут работать как датчики линейного или поворотного положения.

Потенциометр

не требует источника питания или дополнительных схем для выполнения своей основной функции определения положения. Следовательно, они пассивные устройства.Они работают в двух режимах: делитель напряжения и реостат. В реостате сопротивление меняется в зависимости от движения. Следовательно, приложения используют это переменное сопротивление между фиксированным выводом и скользящим контактом. Делитель напряжения имеет истинный потенциометрический режим. При этом на резистивный элемент подается опорное напряжение. Положение подвижного стеклоочистителя определяется путем расчета напряжения, воспринимаемого дворником.

Потенциометры — это наиболее часто используемые датчики положения.Он имеет фиксированный вывод и вывод стеклоочистителя, соединенный с механическим валом. Движение может быть как линейным (скольжение), так и угловым (вращательное). Это движение вызывает изменение сопротивления между фиксированными клеммами и клеммами стеклоочистителя. Выходной электрический сигнал, который обычно представляет собой напряжение, изменяется пропорционально положению резистивной дорожки стеклоочистителя и, следовательно, величине сопротивления.

Потенциометры

доступны в различных размерах и исполнениях. Обычно доступные типы — линейный слайдер и вращающийся тип.Когда он используется как датчик положения, объект соединяется со своим ползунком.

Image Resource Link

Опорное напряжение подается между фиксированными клеммами, которые находятся по обе стороны от стеклоочистителя, а выходное напряжение снимается с этого дворника. Эта конфигурация образует сеть делителей напряжения, а выходное напряжение зависит от положения ползунка.

Если на потенциометр подается потенциал 12 В, максимальное выходное напряжение составляет 12 В и минимум 0 В.В зависимости от положения дворника выходное напряжение может иметь любое значение от 0 В до 12 В. Если стеклоочиститель находится в центре резистивной дорожки, выходное напряжение составляет 6 В.

Конструкция потенциометра показана на рисунке ниже.

Для определения положения общего назначения достаточно недорогого потенциометра. Преимуществами потенциометров являются низкая стоимость, простое управление, простая теория применения, простота использования и надежная восприимчивость к электромагнитным помехам.К недостаткам можно отнести возможный износ из-за скользящего стеклоочистителя, меньший угол срабатывания и низкая точность. Основным недостатком датчика положения на основе потенциометра является его физический размер, поскольку он ограничивает перемещение ползуна и, следовательно, выходной сигнал. Угол срабатывания типичного потенциометра находится в диапазоне от 00 до максимума между 2400 и 3300. Для достижения многооборотной способности можно применять повороты с вернье.

Ниже показана простая схема определения положения.

Он состоит из операционного усилителя и датчика положения на основе потенциометра.Выходное напряжение зависит от положения дворника.

Углеродная пленка — наиболее распространенный тип резистивной дорожки, используемой в потенциометрах. Но есть контактный шум, который накладывается на ожидаемое сопротивление. Контактный шум — это результат механического контакта стеклоочистителя с резистивной поверхностью. Это может вызвать до 5% от общего сопротивления.

В потенциометрах

с проволочной обмоткой используется резистивный элемент с прямым проводом или резистивный провод с обмоткой. Проблема с потенциометрами с проволочной обмоткой заключается в том, что стеклоочиститель переключается между положениями, производя логарифмический выходной сигнал.

Потенциометры из полимерной пленки или металлокерамики доступны для высокоточных и малошумных применений. Они сделаны из проводящего пластикового резистивного материала. У них очень меньшее трение между дворником и поверхностью и, следовательно, меньше электрических шумов, хорошее разрешение и более длительный срок службы. Доступны как однооборотные, так и многооборотные устройства. Эти устройства используются в высокоточных приложениях, таких как джойстики, промышленные роботы и т. Д.

Емкостные датчики положения Емкостные датчики

— это устройства бесконтактного типа, используемые для точного измерения положения цели, если цель является проводящей по своей природе, или используемых для измерения толщины и плотности материала, если цель по своей природе непроводящая.При использовании с проводящими целями они работают независимо от материала цели, поскольку все проводники выглядят одинаково для емкостного датчика. Толщина цели также не важна, поскольку датчики воспринимают поверхность цели.

Они в основном используются в дисководах, полупроводниковой технологии и в отраслях высокоточного производства, где важны высокая точность и частотная характеристика. При использовании с непроводящими мишенями они обычно используются в детекторах этикеток, мониторах толщины покрытия и устройствах измерения толщины бумаги и пленки.

В основном они используются для измерения линейного смещения от нескольких миллиметров до нанометров. Емкостные датчики используют электрическую проводимость для измерения положения. Способность сохранять электрический заряд телом называется емкостью. Наиболее распространенным устройством для хранения заряда является конденсатор с параллельными пластинами. Емкость конденсатора с параллельными пластинами прямо пропорциональна площади поверхности пластин и диэлектрической проницаемости и обратно пропорциональна расстоянию между пластинами.Следовательно, при изменении расстояния между пластинами изменяется ее емкость, и емкостные датчики используют это свойство.

Емкость,

C = (ε r ε o A) / d

Где

ε r — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

ε o — диэлектрическая проницаемость свободного пространства

А — площадь перекрытия пластин

А d — расстояние между пластинами

Типичная модель емкостного датчика состоит из двух металлических пластин с воздухом между ними, действующим как диэлектрик.Датчик или зонд — это одна из металлических пластин, а проводящий целевой объект — это другая пластина.

Когда к пластинам проводника прикладывается потенциал, между ними создается электрическое поле, заставляя положительные заряды собираться на одной пластине, а отрицательные — на другой.

Емкостные датчики используют переменное напряжение. Переменное напряжение заставляет заряды постоянно менять свое положение. Переменное электрическое поле между емкостным датчиком и целью отслеживается на предмет изменений и используется для измерения емкости между датчиком и целью.Емкость определяется площадью поверхностей, диэлектрической проницаемостью и расстоянием между поверхностями. В большинстве приложений емкостного зондирования размер и площадь емкостного датчика и цели не меняются. Диэлектрический материал между проводящими поверхностями не меняется. Единственным фактором, влияющим на любые изменения емкости, является расстояние между емкостным датчиком и целью.

Следовательно, емкость является индикатором положения цели.Емкостные датчики калибруются для получения выходного напряжения, соответствующего изменению расстояния между зондом и целью, которое вызывает изменение емкости. Это называется чувствительностью емкостного датчика. Чувствительность емкостного датчика — это величина изменения напряжения на определенную величину изменения расстояния. Обычно используемая настройка чувствительности составляет 1 В / 100 мкм, т.е. выходное напряжение изменяется на 1 В на каждые 100 мкм изменения расстояния.

Емкостной сенсорный зонд состоит из трех компонентов: чувствительной области, ограждения и корпуса.

К зоне чувствительности приложен потенциал. Существует проблема распространения электрического поля на области на цели, отличные от заданной зоны обнаружения и цели. Чтобы этого не произошло, используется техника, называемая охраной. В этом методе создается защитная зона, окружающая боковые и задние стороны чувствительной области, и поддерживается такой же потенциал, как и в чувствительной области. Поскольку защита и зона чувствительности имеют одинаковый потенциал, между ними не будет электрического поля.Любые другие проводники в непосредственной близости, кроме чувствительной области, будут формировать электрическое поле с защитой. Зона чувствительности и соответствующая цель не нарушены.

Из-за этого ограждения проекция электрического поля в зоне зондирования будет иметь коническую форму. Электрическое поле от зонда покрывает область на мишени примерно на 30% больше, чем площадь сенсора. Следовательно, для стандартной калибровки важно иметь минимальный диаметр мишени, равный 30% диаметра чувствительной области.

Дальность действия чувствительного зонда прямо пропорциональна размеру чувствительной области. Датчики меньшего размера необходимо размещать ближе к цели, чтобы получить желаемую емкость. Максимально допустимый зазор между зондом и целью составляет примерно 40% диаметра чувствительной области. После этого зонд становится бесполезным. Есть приложения, в которых одновременно используются несколько датчиков. В этих приложениях важно синхронизировать напряжение возбуждения всех пробников.Если напряжения не синхронизированы, датчики создают помехи друг другу, поскольку один датчик может попытаться увеличить электрическое поле, а другой — уменьшить его. Это дает ложное прочтение.

Емкостные датчики

также могут использоваться с непроводящими целями. Диэлектрическая проницаемость непроводящей мишени является основой для работы. Диэлектрическая проницаемость непроводящих материалов, таких как пластик, отличается от диэлектрической проницаемости воздуха. Когда непроводящий материал используется в качестве диэлектрической среды между двумя проводящими пластинами, его диэлектрическая постоянная будет определять емкость между проводниками.

Две проводящие пластины представляют собой сенсорный зонд и заземленный проводящий эталон. Изменения емкости и, следовательно, выходного сигнала датчика будут соответствовать изменениям толщины, плотности или состава материала.

Существуют высокоточные и высокопроизводительные емкостные датчики, которые могут измерять смещение порядка нанометров. Эти высокопроизводительные датчики устойчивы к изменениям температуры, выдают линейный выходной сигнал и имеют высокое разрешение.

Преимущества емкостных датчиков перед другими бесконтактными устройствами заключаются в высоком разрешении, дешевизне и нечувствительности к материалу мишени.Емкостные датчики не подходят в условиях, когда окружающая среда сухая или влажная, а расстояние между зондом и целью велико.

Индуктивные датчики положения Индуктивные датчики

— это устройства бесконтактного типа, используемые для точного измерения положения цели, если цель является проводящей по своей природе. Индуктивные датчики используются для распознавания любой проводящей металлической цели.

Емкостные датчики используют электрическое поле для обнаружения поверхности проводящей цели.Индуктивные датчики используют электромагнитное поле, проникающее сквозь цель. Индуктивный датчик-зонд состоит из генератора, который генерирует высокочастотное электромагнитное поле. Это поле исходит от чувствительной поверхности зонда.

Когда это поле контактирует с проводящей металлической мишенью, внутри металлической мишени индуцируется небольшой ток. Эти токи будут генерировать собственное электромагнитное поле, которое мешает полю, исходящему от зонда.Это вызывает изменение амплитуды колебаний сигналов от зонда. Выходное напряжение можно откалибровать по этому изменению. Когда зонд приближается к цели, больше тока реагирует с полем, исходящим от зонда, и выходная мощность больше.

В отличие от емкостных датчиков, индуктивные датчики не зависят от материала зазора между зондом и целью. Следовательно, они могут использоваться в агрессивной среде, где масло или другие жидкости могут попадать в зазор.

Материал мишени — важный фактор в индуктивных датчиках. Такие материалы, как алюминий, сталь и медь, по-разному реагируют на датчик. Следовательно, датчик должен быть откалиброван для каждой цели для достижения оптимальных или максимально возможных характеристик.

Обычно существует два типа материалов мишени для индуктивных датчиков. Они бывают черными и цветными. Черные материалы обладают магнитной природой, в то время как цветные материалы немагнитны. К черным материалам относятся железо и большинство стальных материалов, а к цветным металлам — цинк, алюминий, медь и латунь.Некоторые индукционные датчики работают как с черными, так и с цветными целями, в то время как другие работают только с одним типом материала.

Размер цели также важен, поскольку эффективная площадь электромагнитного поля зонда будет варьироваться от сенсора к сенсору. Минимальное требование — чтобы площадь поперечного сечения мишени составляла не менее 300% диаметра катушки зонда, то есть в идеале площадь поверхности мишени должна быть как минимум в три раза больше диаметра зонда.

Толщина цели также является важным фактором, поскольку электромагнитное поле проникает в цель и создает электрические токи. Толщина мишени зависит от частоты сигнала, который возбуждает зонд, и обратно пропорциональна частоте, т.е. когда частота возбуждения увеличивается, минимальная толщина мишени уменьшается.

Для частоты возбуждения 1 МГц минимальная толщина некоторых обычно используемых целевых материалов составляет:

  • Железо — 0.6 мм
  • Нержавеющая сталь — 0,4 мм
  • Медь — 0,2 мм
  • Алюминий — 0,25 мм
  • Латунь — 1,6 мм

Индуктивные датчики с аналоговыми выходными сигналами известны своим нанометровым разрешением, коротким временем отклика, частотными характеристиками 80 кГц и более, точностью повторения и невосприимчивостью к загрязнениям окружающей среды.

Выходное напряжение и ток индуктивного датчика прямо пропорциональны расстоянию между поверхностями датчика и мишени, т.е.е. напряжение и ток представляют собой абсолютные измеренные значения, соответствующие расстоянию. Это свойство используется во многих приложениях.

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT)

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор (LVDT) — это распространенный тип электромеханических контактных датчиков линейного положения с высоким разрешением. LVDT — один из лучших доступных, надежных и точных методов измерения линейного расстояния. LVDT используются в компьютеризованном производстве, станках, авионике и робототехнике.

Линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор — это датчик положения к электрическому датчику. LVDT состоит из трех катушек, одной первичной и двух вторичных. Подвижный магнитопровод размещен, как показано на рисунке. Этот магнитный сердечник, который также называют якорем, контролирует передачу тока между первичной и вторичной обмотками LVDT. Выходной сигнал LVDT пропорционален положению сердечника.

Поперечный разрез LVDT показан ниже.

Магнитопровод линейно движется внутри трансформатора, состоящего из первичной обмотки и двух идентичных внешних вторичных обмоток, намотанных цилиндрическим образом.

Когда первичная обмотка возбуждается переменным током, на вторичных обмотках индуцируется напряжение. Напряжение вторичной катушки изменяется в зависимости от положения магнитопровода между катушками, который перемещается в осевом направлении. Выходной электрический сигнал равен разности напряжений на вторичных обмотках. Следовательно, выходное напряжение пропорционально линейному механическому перемещению магнитопровода.

Стандартное представление LVDT в стиле трансформатора показано ниже.

Схематическое изображение LVDT показано ниже.

Работа LVDT:

Первичная обмотка трансформатора возбуждается от переменного источника постоянной амплитуды. Это создает магнитное поле, и развитый магнитный поток передается на вторичные катушки S1 и S2 магнитным сердечником в центре. Вторичные обмотки намотаны в противофазе друг с другом. Следовательно, когда положение сердечника находится точно посередине между двумя вторичными катушками, на S1 и S2 подается равное количество магнитного потока.Напряжения, индуцированные в каждой из вторичных катушек V 1 и V 2 , равны. Следовательно, выходное дифференциальное напряжение V на выходе равно нулю.

В 1 = В 2

и

V из = V 1 — V 2 = 0

Когда катушка удаляется от центра, напряжение, индуцируемое в каждой вторичной катушке, разное. Когда сердечник перемещается к S1, магнитный поток, связанный с S1, больше, чем магнитный поток, связанный с S2.Следовательно, индуцированное напряжение V 1 увеличивается, а V 2 уменьшается.

Дифференциальное выходное напряжение составляет В на выходе = В 1 — В 2 .

Если магнитопровод или якорь движутся к вторичной катушке S2, магнитный поток, связанный с S2, больше, чем S1. И индуцированное напряжение V 2 увеличивается, а V 1 уменьшается.

Следовательно,

выходное напряжение составляет В на выходе = В 2 — В 1 .

Фаза выходного сигнала может определять положение сердечника.

Просто выходное напряжение LVDT не будет определять положение сердечника, если есть какие-либо несоответствия между вторичными катушками или любые индуктивности рассеяния. Схема преобразования сигнала полезна для устранения этих трудностей.

Нормальный LVDT показан ниже.

LVDT со схемой преобразования сигнала показан ниже.

Он состоит из дополнительной схемы фильтрации и усиления, в которой вычитаются абсолютные значения двух выходных сигналов.Схема абсолютного значения может быть сформирована из диодно-конденсаторного выпрямителя. Фильтры используются для определения амплитуды обоих вторичных напряжений. Этот метод полезен для измерения как положительных, так и отрицательных отклонений относительно положения центра.

LVDT имеет огромное преимущество перед потенциометром в качестве датчика положения во многих отношениях. Поскольку магнитный сердечник не касается катушек, между катушками и сердечником нет механического контакта. Таким образом достигается работа без трения, которая полезна при тестировании устройств с высоким разрешением.Это также важный фактор для увеличения срока их службы.

Благодаря принципам электромагнитной связи и работе без трения LVDT может измерять бесконечно малые изменения.

Индуктивные датчики приближения Индуктивные датчики приближения

— это недорогие твердотельные бесконтактные устройства. В основном они используются для обнаружения металлических объектов, которые по своей природе являются как черными, так и цветными. Основными компонентами индуктивного датчика приближения являются катушка, генератор, цепь обнаружения и выходная цепь.

Когда через катушку пропускают переменный ток, он создает высокочастотное магнитное поле. Если металлический объект приближается к этому полю, индуктивность катушки изменяется. Вихревые токи, наводимые в объекте полем, изменяют амплитуду колебаний. Демодулятор обнаружит изменения амплитуды и преобразует их в сигнал постоянного тока. Этот сигнал постоянного тока вызывает срабатывание триггера и переключателей выходного каскада.

Индуктивный датчик приближения без дополнительного оборудования может управлять электромагнитными муфтами, тормозами и клапанами.Для приведения в действие датчика можно использовать металл любой формы и размера, пневмоцилиндр, каретку станка или сверло.

Индуктивный датчик приближения игнорирует неметаллические предметы, такие как масло, вода, грязь и т. Д. Он устойчив к ударам и короткому замыканию.

Они используются в промышленной автоматизации для подсчета товаров, в системах безопасности в качестве металлоискателей и в военных приложениях для обнаружения наземных мин и другого оружия.

Магнитные датчики положения на основе эффекта Холла Магнитные датчики положения

используются для определения положения объектов путем определения силы, направления или наличия магнитных полей, генерируемых Землей, электрических токов, магнитов и даже активности мозговых волн.Магнитные датчики положения являются бесконтактными устройствами и очень важны во многих отраслях промышленности и в навигационных системах.

Магнитное поле — это векторная величина, которая имеет как величину, так и направление. Некоторые датчики измеряют величину, но не направление магнитного поля. Это скалярные датчики. Другие датчики измеряют величину составляющей намагниченности вдоль их главной оси чувствительности. Это однонаправленные датчики. Некоторые датчики включают направление поля вместе с его величиной.Это двунаправленные датчики.

Датчик Холла

— это датчик магнитного поля, который может использоваться для определения положения, давления, тока, температуры и многого другого.

Стандартный датчик на эффекте Холла показан ниже.

Устройства на эффекте Холла

при использовании в качестве датчиков положения могут быть очень точными и доступными. Датчик Холла состоит из элемента Холла, который изготовлен из тонкого листа проводящего материала. Выходные соединения элемента холла перпендикулярны направлению тока.Когда датчик Холла подвергается воздействию магнитного поля, он реагирует с выходным напряжением, которое пропорционально силе магнитного поля. Для достижения полезных уровней напряжения требуются дополнительные электронные схемы, такие как схемы преобразования сигналов, поскольку исходное выходное напряжение очень мало. Следовательно, базовый датчик на эффекте Холла состоит из элемента Холла, объединенного со схемой преобразования сигнала на интегральной схеме.

Принцип эффекта Холла гласит, что «когда проводник с током помещается в магнитное поле, создается напряжение, перпендикулярное как току, так и магнитному полю.”

Рассмотрим тонкий лист проводящего материала. Через него проходит ток, а выходное соединение перпендикулярно направлению тока.

В отсутствие магнитного поля распределение тока равномерное и разность потенциалов на выходе отсутствует.

В присутствии магнитного поля, перпендикулярного направлению тока, сила Лоренца действует на ток. Эта сила нарушает распределение тока и приводит к разности потенциалов на выходе.

Датчики положения

на основе эффекта Холла доступны с цифровым и аналоговым выходом. В датчиках с цифровым выходом выход находится либо в состоянии ВКЛ, либо в состоянии ВЫКЛ. Цифровые датчики на эффекте Холла бывают двух типов: биполярные и однополярные. Биполярным датчикам требуется положительный гаусс, который является южным полюсом, для работы и отрицательный гаусс, который является северным полюсом, для высвобождения. Разблокировка достигается перемещением положительного гаусса или Южного полюса от датчика. Для работы однополярных датчиков требуется один магнитный полюс.

В датчиках с аналоговым выходом выходное напряжение является непрерывным и зависит от силы магнитного поля. Выходное напряжение увеличивается или уменьшается при сильном или слабом магнитном поле соответственно. Они работают благодаря близости к любому из магнитных полюсов.

Рассмотрим следующую схему датчика положения на основе эффекта Холла.

Он состоит из четырех однополярных датчиков с цифровыми выходами, эти четыре датчика соединены вместе и помещены в алюминиевый корпус.Эти датчики приводятся в действие четырьмя отдельными магнитными приводами, подключенными к гидравлической системе. Датчики генерируют сигналы событий, которые представляют собой расстояние, измеренное от опорной поверхности. Эти сигналы определяют допустимые пределы, между которыми тестируемый объект должен генерировать электрические сигналы.

Следующая установка используется для достижения точности линейного позиционирования 0,002 дюйма. Он состоит из четырех биполярных датчиков с цифровыми выходами. Они приводятся в действие магнитом, установленным на стержне.

Преимущества датчиков Холла — долгий срок службы, высокая скорость и диапазон температур от -40 0C до 150 0C.

Вихретоковый датчик положения Вихретоковые датчики

— это бесконтактные устройства, используемые для измерения положения, смещения, колебаний и вибрации проводящей цели. Вихретоковые датчики используются в приложениях, где требуется высокая точность и суровые условия эксплуатации.

Вихретоковые датчики работают по принципу магнитной индукции.Простой вихретоковый датчик состоит из драйвера и чувствительной катушки. Когда через катушку пропускают переменный ток, она создает переменное магнитное поле. Когда цель входит в контакт с этим полем, в цели индуцируется небольшой ток. Эти токи называются вихревыми токами. Вихревой ток в цели создаст поле, которое противостоит полю датчика и сопротивляется полю. Расстояние между датчиком и целью является фактором взаимодействия двух магнитных полей.Следовательно, выходное напряжение калибруется с учетом изменения взаимодействия полей, которое зависит от расстояния. Площадь поверхности мишени должна быть как минимум в три раза больше диаметра зонда.

Преимущества вихретоковых датчиков — меньшая стоимость, устойчивость к суровым и грязным условиям, меньшие размеры и нечувствительность к типу материала, используемого в зазоре между датчиком и целью.

Вихретоковые датчики менее полезны в приложениях, где требуется высокое разрешение и большой зазор между датчиком и целью.

Датчики вращения Поворотный энкодер

— это электромеханическое устройство, преобразующее угловое движение в аналоговое значение или цифровой код. Его также называют датчиком вала. Датчики вращения выдают значение при вращении вала или оси энкодера. Создается выходной сигнал, пропорциональный углу поворота. В зависимости от выходного сигнала существует два типа энкодеров: инкрементальные и абсолютные.

Выходной сигнал инкрементального энкодера имеет форму прямоугольной волны и предоставляет информацию о движении вала.Эта информация преобразуется в скорость, положение, расстояние и число оборотов в минуту.

Выходные данные абсолютных энкодеров представляют собой абсолютную меру положения, т.е. они показывают текущее положение вала. Это делает их преобразователями угла. Инкрементальные и абсолютные энкодеры доступны в двух конструкциях: оптической и механической.

В приложениях, где необходимо преобразовать механическое движение в цифровую информацию, наиболее популярным выбором датчиков являются инкрементальные энкодеры.

Структура инкрементального энкодера показана ниже.

Image Resource Link

Инкрементальные энкодеры обеспечивают вывод последовательности импульсов, которая пропорциональна вращательному смещению вала, т.е. обеспечивает вывод только тогда, когда вал энкодера вращается. Для определения количества вращения используется счетчик, который считает количество выходных импульсов. Начиная с определенного положения входного вала, чтобы энкодер мог определить количество вращения, счетчик сбрасывается в исходное положение, и с этого положения счетчик добавляет количество импульсов.Ссылочная позиция может быть где угодно, а счетчик может быть неограниченным.

Инкрементальные энкодеры

доступны в двух типах каналов: одноканальный энкодер и квадратурный энкодер. Когда системы вращаются в одном направлении, используются одноканальные энкодеры. Обычно они называются тахометрами и предоставляют только информацию о местоположении и скорости. Квадратурные энкодеры имеют два выходных сигнала, разнесенных по фазе на 900. Следовательно, квадратурные энкодеры предоставляют высокоскоростную двунаправленную информацию для сложных приложений движения.

Инкрементальные оптические энкодеры

используются в приложениях, где рассчитываются высокие обороты с высокой точностью. Механические инкрементальные энкодеры обычно используются в качестве цифровых потенциометров и требуют устранения дребезга.

Абсолютные энкодеры выдают уникальный двоичный код на выходе для каждого отдельного угла вала. Код может быть кодом Грея, избыточным кодом Грея или естественным двоичным кодом. Положение вала всегда известно в случае абсолютных энкодеров даже после сбоев питания.

Структура абсолютного энкодера показана ниже.

Ссылка на изображение:

Оптические абсолютные энкодеры состоят из стеклянного или пластикового диска с непрозрачными и прозрачными участками. Источник света, такой как светодиод и матричные фотодетекторы, используются для считывания оптического рисунка, определяемого положением диска, в любое время.

Оптические датчики положения

Оптические датчики преобразуют световые сигналы в электрические. Это бесконтактные датчики. Он похож на фоторезистор, измеряет физическую величину и преобразует его в форму, читаемую любым подходящим прибором.Оптические датчики могут измерять следующие физические величины: температуру, давление, поток, уровень жидкости, смещение, положение, вращение, вибрацию, ускорение, силу, скорость, деформацию, излучение, pH, магнитное поле, электрическое поле, акустическое поле.

Обычно система, использующая оптический датчик, включает три подсистемы: источник света, измерительное устройство и оптический датчик. Это связано с электрическим триггером, который реагирует на изменения сигналов светового датчика.

Примером оптических датчиков положения является позиционно-чувствительный детектор (PSD).Позиционно-чувствительные детекторы обнаруживают данные о местоположении падающего света. Детекторы, чувствительные к положению, могут отслеживать очень небольшие изменения положения. Детекторы, чувствительные к положению, могут обеспечивать высокую скорость отклика, высокую надежность и высокое разрешение.

Волоконно-оптические датчики положения

Волоконно-оптические датчики используют оптические волокна в качестве чувствительного устройства. Их можно использовать для измерения температуры, деформации, давления, смещения, скорости и ускорения. Волоконно-оптические датчики положения используют коэффициент обратного отражения света внутри оптического волокна из-за движения проксимальной поверхности зеркала.Оптоволоконные датчики положения невосприимчивы к электромагнитному излучению, магнитным полям, молнии и многим другим суровым условиям окружающей среды. Обычно они используются для определения местоположения на большом расстоянии.

Оптоволоконный датчик положения состоит из двух частей: оптического устройства, встроенного в пассивный датчик, и активного контроллера. Эти два соединены полнодуплексным оптоволоконным каналом. Контроллер используется для отправки световых сигналов. Он передает вспышку света в виде штрих-кода на кодовый диск.Диск вращается, и код, нанесенный на диск, будет уникальным в каждой позиции. Только на определенной длине волны полоса отражает свет, и свет определенных цветов возвращается к контроллеру по отдельному оптоволоконному кабелю.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *