Датчики линейного перемещения принцип работы

Обзор датчиков перемещения

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

Назначение

Такие датчики преобразуют данные о перемещении объекта в выходной сигнал. Являются одним из важных измерительных элементов систем управления и контроля. Они широко применяются в различных областях, поэтому выделяют несколько разновидностей, отличающихся по принципу действия, точности, цене.

• показывают положение объекта управления (ОУ) или рабочего органа оборудования;
• отслеживают линейные перемещения ОУ или рабочего органа;
• фиксируют окончание этапа в системах цикловой автоматики;
• определяют размеры ОУ (например, заготовок);
• измеряют уровень жидкости;
• характеризуют состояние оборудования в части его загрузки.

Емкостные датчики

Простейший емкостный датчик по своей конструкции напоминает конденсатор. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

1. Изменения величины зазора между пластинами.
2. Изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия.
3. Изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, а может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Наибольшее распространения емкостные устройства контроля перемещения нашли:

1. В качестве источника сигнала в системах контроля заполнения резервуаров жидким или порошкообразным продуктом.
2. Как прибор, контролирующий начало – окончание рабочего хода исполнительного органа робототехнических систем и автоматических станков и линий.
3. Для позиционирования различных объектов.
4. Как обычный конечный бесконтактный выключатель.
5. В системах контроля и охранной сигнализации как «датчик присутствия».

Благодаря своей невысокой стоимости и надежности, емкостные устройства нашли самое широкое распространения в отдельных системах комплекса жизнеобеспечения «умный дом».

К их достоинствам, по сравнению с устройствами, использующими другой принцип действия, можно отнести:

1. Упрощенную технологию массового производства, с использованием недорогих, широко распространенных материалов.
2. Высокую чувствительность при малом энергопотреблении.
3. Компактные размеры и незначительный вес.
4. Долговечность, простоту и надёжность эксплуатации.
5. Простоту адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение в высокоточных системах управления, являются:

1. Относительно низкий коэффициент преобразования.
2. Необходимость тщательной экранировки элементов датчика.
3. Повышение точности работы прибора на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50,0 герц.
4. Высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий (снег, дождь) что требует повышенной защиты источника сигнала.

Как изготовить своими руками

Проще всего создать потенциометрический датчик и подключить к нему какой-либо микропроцессор.

Для создания потенциометрического датчика нужно взять блок питания и потенциометр, регулировочную ручку которого следует подключить к перемещаемому объекту. К потенциометру нужно подключить один из выводов микроконтроллера в режиме АЦП (обязательно через ограничительный резистор, чтобы вход не сгорел), а к другому выводу следует подключить систему, управление которой осуществляется (аналогично через резистор).

Не так сложно изготовить индуктивный датчик. Для этого понадобится тот же микроконтроллер с входом в режиме АЦП, две обмотки для будущего трансформатора и регулируемый сердечник. Подвижную часть сердечника нужно подключить к движущемуся объекту, АЦП – ко вторичной обмотке, первичную обмотку соединить с источником питания, к другому выводу микроконтроллера следует подключить управляемую систему. Нельзя забывать об ограничительных резисторах.

По аналогии можно собрать емкостной датчик с введением диэлектрика. Вместо обмоток трансформатора подключаются обкладки конденсатора, вместо ферромагнетика сердечника – любой диэлектрик.

Можно собрать и лазерный датчик линейного перемещения. Как раз такой применяется в станках с ЧПУ. Проблем с приобретением самого излучателя нет. Они могут возникнуть на этапе обработки сигнала с лазерного излучателя. Делать это проще всего с помощью микроконтроллера (например, SMT или AVR), но для отладки обработки этого сигнала потребуется потратить много времени, если нет большого опыта в проектировании таких устройств.

Технические устройства с более сложной конструкцией, конечно, тоже можно самостоятельно собрать. Тем более, что их схемы доступны в интернете, вопрос только в подборе номиналов элементов. Хотя лучше приобрести готовые изделия, потому что они заранее проверены и настроены инженерами компании-изготовителя.

Электропривод и компоненты промышленной автоматизации системы резервного питания

Преобразователи линейных перемещений: области применения

Устройства, которые представляют направление и величину перемещений подвижных частей механизмов в виде аналоговых и цифровых сигналов, пригодных для последующей обработки, получили название преобразователей линейных перемещений. Они служат высокоэффективному измерению пути, круговых движений, уровня наполнения, расстояний до объекта.

Номенклатура — тысячи моделей для автомобильной, станкостроительной, судостроительной, нефтегазовой промышленности. Велика роль этих устройств в системах вооружения и робототехники. ПЛП призваны автоматизировать работу машин самых разных типов. Вот некоторые примеры использования:

• управление шагом винта в ветряных генераторах;
• формовочное и металлопрокатное оборудование;
• затворы и шлюзы;
• транспортно-погрузочные механизмы;
• конвейеры;
• устройства деревообработки;
• машины для производства бетонных блоков;
• контроль уровней продуктов.

Современные станки и автомобили, сервосистемы роботов, научная и медицинская техника насыщены ПЛП различного класса точности и быстродействия. Больше всего контроль линейных и угловых перемещений востребован в машиностроительной отрасли (до 70% всех видов измерений).

Виды ПЛП и принципы работы

Потенциометрические

Оптико-электронные

Оптико-электронные преобразователи широко используются с середины прошлого века. Устаревшие лампы накаливания в таких приборах сейчас заменены лазерными излучателями, но суть процесса не меняется: оптические сигналы преобразуются в электрические. Наряду с оптическими не теряют актуальности ультразвуковые ПЛП, в которых фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны.

Возможности традиционных бесконтактных оптических и звуковых преобразователей сильно ограничены условиями измерений. Они неэффективны в средах с низкой отражательной способностью, с высоким пыле-пено- парообразованием.

Микроимпульсные

Этих недостатков лишены микроимпульсные ПЛП, в которых используется магнитострикционный эффект. В таких приборах используют ферромагнитные материалы (обычно сплав железа и никеля).

Процесс измерения инициируется импульсом тока. Стержень из ферромагнетика действует подобно «волноводу», по которому начинает распространяться магнитное поле. В измеряемой точке располагается постоянный позиционный магнит, связанный с объектом измерения (например, с гидравлическим цилиндром). Этот магнит служит «курсором» текущей позиции. В месте его нахождения магнитные поля пересекаются и возникает пластическая деформация «волновода». Из этой позиции распространяется торсионный импульс, который улавливается и преобразуется в электрический ток. Время распространения торсионной волны (время импульсного отклика) прямо пропорционально расстоянию до постоянного магнита. Наиболее эффективны эти приборы на диапазонах от 150 мм до 4-х и более метров.

Бесконтактные преобразователи магнитострикционного типа

Получили распространение везде, где требуется длительный срок службы. Они нечувствительны к загрязнениям и влажности, типичным для многих производств. Серии бесконтактных ПЛП от лидирующих производителей (MTS Sensors Temposonics, Balluff Micropulse и др.) работают по 7-8 лет в тяжелых условиях с сохранением стабильных характеристик точности и повторяемости.

ПЛП ещё разделяют по конструктивному исполнению: стержневой (для гидроприводов), профильный, измерители уровня наполнения, а также серии, способные работать в агрессивных средах, во взрывоопасной атмосфере, в условиях пищевой и химической промышленности.

Основные характеристики и особенности интерфейсов ПЛП

При выборе преобразователя помимо его типа стоит выяснить следующие параметры:

1. Диапазон измерения.
2. Допустимая погрешность, разрешение. Минимальными погрешностями характеризуются устройства для станков с ЧПУ при изготовлении микросхем, в которых требуется точность на уровне микрометра. Для магнитострикционных представителей линейки Micropulse достигнута точность ±0,02% номинальной длины. Это превышает возможности ультразвуковых и радарных измерителей.
3. Устойчивость к неблагоприятным факторам. Например, модель BTL5-A11-M0100-P-KA05 со степенью защиты IP67по IEC 60529 с герметичным корпусом способна давать устойчивые показания в жестких условиях, в диапазоне температур -40 -85°С, например, в прессах, формовочном оборудовании, портовых машинах.

На разрешение прибора и цену сильно влияет тип выхода/интерфейсного модуля:

1. Аналоговый (по напряжению или току). Наиболее распространены токовые интерфейсы. Они стали стандартом ПЛП для многих отраслей, постольку относительно недороги и менее чувствительны к помехам.
2. Импульсные. Сигналы от датчика усиливаются и передаются в цифровом виде без помех на значительные расстояния. В этой группе выделяют Р-интерфейсы и М-интерфейсы. Первые совместимы с котроллерами Siemens, Mitsubishi, Sigmatek, Parker, Esitron, WAGO и др. Вторые разработаны под определенные типы контроллеров.
3. Синхронно-последовательные (SSI). Сигнал о положении позиционера посылается на контроллер в виде последовательности данных. Такие ПЛП подключаются непосредственно к плате управления через SSI-интерфейс. Они оптимальны в качестве сенсоров обратной связи для динамичных задач регулирования при работе в неблагоприятных условиях.

В ассортименте компании «Автоматика» сделан акцент на современных типах преобразователей, которые соответствуют требованиям Ростехнадзора, европейских и российских стандартов. Наши специалисты окажут помощь в выборе и покупке нужной модели, проведут технические консультации, организуют быстрые поставки в Екатеринбурге. Телефон для справок: +7 (343) 384-55-45.

Индуктивные датчики углового положения

Индуктивные датчики углового положения в при ближайшем рассмотрении чаще всего оказываются не совсем угловыми. В таких датчиках вращение сначала преобразовывается в линейное перемещение металлического либо ферритового сердечника внутри специально сконструированной катушки индуктивности. Выходной сигнал, снимаемый с выходов катушки, изменяется в зависимости от положения сердечника.

Благодаря простоте изготовления при достаточной точности и высокой надежности, индуктивные датчики получили широкое распространение на территории бывшего Советского союза, и успешно работают на многих российских объектах до сих пор. Это известный любому инженеру КИП старой закалки датчик типа БСПТ-10М (блок сигнализаторов положения токовый):

Этот датчик выдает нормализованный токовый сигнал 4..20 мА, а также имеет 4 настраиваемых концевых выключателей. Основным недостатком этого датчика является большое время отклика, в связи с чем его нельзя использовать для измерения в случае быстро изменяющейся скорости и направления вращения, так как сигнал будет выдаваться с задержкой.

Погрешности датчиков

На реальные характеристики датчиков влияют следующие погрешности:

1. Зона нечувствительности. При переходе контакта с одного витка провода на другой происходит скачок напряжения, величина которого определяется по формуле: DU=U_пит./W, где W – число витков.
2. Неравномерность статической характеристики, связанная с колебаниями диаметра провода по длине, его удельным сопротивлением и точностью намотки.
3. Наличие люфта между движком контакта и втулкой, влияющего на точность показаний.
4. Неравномерность нажима щетки, влияющая на величину сопротивления контакта. Обычно силу прижатия движка к обмотке применяют достаточно большую. Однако сделать это не всегда удается, поскольку усилие от чувствительных элементов (мембран, поплавков, биметаллических пластин) — небольшое.
5. Влияние электрического сопротивления нагрузки R_н. Ее величину выбирают в 10…100 раз больше сопротивления датчика.

Варианты использования датчиков угловых перемещений

Использование датчиков актуально во многих сферах деятельности. Установка энкодеров актуальна в машинах и механизмах на предприятиях металлургии. Оборудование используется в отраслях станкостроения и энергетики, монтируется на упаковочных конвейерах, в сфере деревообработки.

Точное измерение скорости и ускорения, установка датчиков требуется на следующих устройствах:

• на приводных механизмах, установленных в прокатных станах предприятий металлургии;
• в оборудовании, используемом для производства бумаги и картона;
• координатные станки на предприятиях машиностроения также комплектуются подобными системами;
• установка датчиков требуется для резательных машин, продольных и поперечных;
• оборудование входит в состав электрозадвижек и кранов, промышленных и бытовых лифтов, упаковочных конвейеров;
• актуальна установка приборов в комплексах автоматического складирования, станках для заготовки и переработки леса и древесины.

Энкодеры активно используются в агрегатах, оснащенных системами числового программного управления. Кроме указанных, существует большое количество сфер деятельности, где контроль углового положения и скорости вращения вала выполняются с помощью специальных датчиков.

Концевые датчики

Концевые датчики нужны для того чтобы ограничивать перемещение в координатных осях. Используются для определения позиции home(начальных позиций по осям). Это делается для того чтобы избежать различных перекосов, которые могут вывести станок из строя. Для калибровки станка и поиска положения рабочего инструмента в пространстве при включении питания станка.
Датчики данного типа бывают 2 типов:

Ниже приведена таблица с техническими характеристиками датчиков.

Оптические линейки

Оптические линейки используются для того чтобы организовать замкнутую обратную связь по положению станка.

Линейки Rational WTA5

Оптические линейки используются, если необходимо измерить линейные размеры изделия. Имеют размеры: 100 мм, 250 мм, 350 мм, 500 мм, 700 мм, 900 мм. Обычно устанавливается на разнообразные станки, с целью их модернизации. Совместима с УЦИ Rational серии WE6800 (подключение через разъем 9РD).

Ниже приведена таблица с техническими характеристиками оптических линеек Rational WTA5

Датчики высоты инструмента

Датчики высоты используются для определения высоты фрезы. Устройство калибровки высоты режущего инструмента.

Устройство состоит из двух частей, которые связываются между собой через Wi-Fi. На одной из части расположена контактная площадка, при касании передаются сигнал в другую часть устройства. Используется для того чтобы настроить рабочую высоту инструмента.

Модуль позиционирования фрезы NC Studio v5

Устройство используется для настройки высоты между инструментом и заготовкой. Состоит из двух частей, которые связываются между собой через Wi-Fi. Срабатывает при нажатии на контактную площадку на одной из частей.

Датчик высоты инструмента PLTLS-01

Используется для установки высоты в автоматическом режиме. Совместим с MACH3, LinuxCNC.

Датчик высоты инструмента DT02

Используется для установки высоты в автоматическом режиме. Совместим с MACH3, LinuxCNC. Имеет хорошую защиту от шумов, поэтому может работать без перебоев. На одном комплекте аккумуляторов может работать около 6 месяцев.

Ниже приведена таблица с техническими характеристиками:

Энкодеры

Энкодеры применяются для того, чтобы определить угол поворота вала. Энкодер — это генератор импульсов оптический или магнитный (датчик Холла).

Энкодеры бывают двух типов:

Энкодер инкрементный оптический

Энкодер инкрементальный, используется в шаговых двигателях и винтовых передачах для точного позизионирования линейного перемещения. Имеет разрешение 4000 им/об.

Ниже приведена таблица с техническими характеристиками.

Датчики станков с ЧПУ используют в самых разнообразных сферах на станках где нужно автоматизировать производство.