Принцип на действие на индуктивните сензори за преместване. Сензори за движение

Изпращането на вашата добра работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

добра работакъм сайта">

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

Публикувано на http://www.allbest.ru/

Въведение

Въведение

Сензорът за преместване е устройство, предназначено да определя количеството на линейно или ъглово механично движение на обект. Разбира се, такива устройства имат колосален брой практически приложения в голямо разнообразие от области, така че има много класове сензори за движение, които се различават по принцип на работа, точност, цена и други параметри. Веднага трябва да се отбележи, че всички сензори за изместване могат да бъдат разделени на две основни категории - сензори линейно движениеи сензори за ъглово изместване (енкодери).

Според принципа на работа сензорите за преместване могат да бъдат:

· капацитивен;

· оптични;

· индуктивни;

· вихров ток;

· ултразвукови;

магниторезистивен;

· потенциометрични;

· магнитострикционни;

· на базата на ефекта на Хол.

1. Капацитивни сензори за преместване

Работата на сензори от този тип се основава на връзката между капацитета на кондензатора и неговата геометрична конфигурация. В най-простия случай говорим за промяна на разстоянието между плочите поради външно физическо въздействие (Фигура 1). Тъй като капацитетът на кондензатора варира обратно пропорционално на размера на празнината между плочите, определянето на капацитета с други известни параметри ни позволява да преценим разстоянието между плочите. Промените в капацитета могат да се записват по различни начини(например чрез измерване на импеданса му), но във всеки случай кондензаторът трябва да бъде включен в електрическата верига.

Фигура 1 - Капацитивен сензор за линейно изместване с променлив размер на междината

Друга схема, където е изходният параметър електрически капацитет, е верига, съдържаща кондензатор с движещ се диелектрик (Фигура 2). Преместването на диелектричната плоча между плочите на кондензатора също води до промяна в неговия капацитет. Плочата може да бъде механично свързана с обекта, който представлява интерес, в който случай промяната в капацитета показва движение на обекта. Освен това, ако самият обект има диелектрични свойства и има подходящи размери, той може да се използва директно като диелектрична среда в кондензатор.

Фигура 2 - Капацитивен линеен сензор за преместване с подвижен диелектрик

Възможните приложения на капацитивните сензори са изключително разнообразни. Използват се в системи за регулиране и управление на производствени процеси в почти всички индустрии. Капацитивните сензори се използват за контрол на пълненето на резервоари с течни, прахообразни или гранулирани вещества, като крайни изключватели на автоматизирани линии, конвейери, роботи, обработващи центри, металорежещи машини, в алармени системи, за позициониране на различни механизми и др.

В момента най-широко приложение намират сензорите за близост (присъствие), които освен своята надеждност имат и широк спектър от предимства. Имайки сравнително ниска цена, сензорите за близост покриват огромен набор от приложения във всички индустрии. Типични приложения за този тип капацитивни сензори са:

1) аларма за пълнене на контейнери от пластмаса или стъкло;

2) контрол на нивото на пълнене на прозрачни опаковки;

3) аларма за прекъсване на намотка;

4) регулиране на напрежението на колана;

5) фактура на парче от всякакъв вид и др.

Капацитивните датчици за линейни и ъглови премествания са най-разпространените устройства, широко използвани в машиностроенето и транспорта, строителството и енергетиката, в различни измервателни системи.

Сравнително нови устройства, въведени в широка промишлена употреба в последните годиниса станали малки капацитивни инклинометри с електрически изходен сигнал, пропорционален на ъгъла на наклона на сензора. Следните области на приложение на инклинометрите могат да се считат за основни: използване в системи за нивелиране на платформи, определяне на големината на отклонения и деформации на различни видове опори и греди, наблюдение на ъглите на наклона на автомобила и железниципри изграждането, ремонта и експлоатацията им, определяне на крен на автомобили, кораби и подводни роботи, асансьори и кранове, багери, селскостопански машини, определяне на ъгловото движение на различни видове въртящи се обекти - валове, колела, зъбни механизми както на неподвижни и движещи се обекти.

Капацитивните сензори за ниво се използват в системи за наблюдение, регулиране и управление на производствени процеси в хранително-вкусовата, фармацевтичната, химическата и нефтопреработвателната промишленост. Те са ефективни при работа с течности, насипни материали, целулоза, вискозни вещества (проводими и непроводими), както и при условия на кондензация и прах.

Капацитивните сензори се използват и в различни индустрии за измерване на абсолютно и манометрично налягане, дебелина на диелектрични материали, влажност на въздуха, деформация, ъглови и линейни ускорения и др.

Капацитивните сензори имат редица предимства пред другите видове сензори. Техните предимства включват: лекота на производство, използване на евтини материали за производство; - малки размери и тегло; - ниска консумация на енергия; - висока чувствителност; липса на контакти (в някои случаи - само текуща колекция); дълъг експлоатационен живот; необходимостта от много малко усилие за преместване на подвижната част на капацитивния сензор; лекота на адаптиране на формата на сензора към различни задачи и дизайни.

Недостатъците на капацитивните сензори включват: относително нисък коефициент на предаване (преобразуване); високи изисквания за екраниране на части; необходимостта от работа при по-висока (в сравнение с 50 Hz) честота.

Въпреки това, в повечето случаи е възможно да се постигне достатъчно екраниране поради дизайна на сензора и практиката показва, че капацитивните сензори дават добри резултатина широко използваната честота от 400 Hz. Крайният ефект, присъщ на кондензаторите, става значим само когато разстоянието между плочите е сравнимо с линейните размери на въпросните повърхности. Този ефект може да бъде елиминиран до известна степен чрез използване на защитен пръстен, който позволява неговото влияние да се пренесе извън границите на повърхността на действително използваните при измерването плочи.

2. Оптични сензори за движение

Има много вариации на схеми на сензори за движение, базирани на различни оптични ефекти. Може би най-популярната е схемата за оптична триангулация - сензорът за позиция всъщност е далекомер, който определя разстоянието до обекта на интерес, записва радиацията, разпръсната от повърхността на обекта и определя ъгъла на отражение, което го прави възможно да се определи дължината d - разстоянието до обекта (Фигура 3 ). Важно предимство на повечето оптични сензори е възможността за извършване на безконтактни измервания; освен това такива сензори обикновено са доста точни и имат висока производителност.

Фигура 3 - Оптичен сензор за изместване, базиран на оптична триангулационна схема

Друга реализация на оптичен сензор, предназначена да записва и характеризира малки движения и вибрации, използва конструкция с двойна решетка, както и източник на светлина и фотодетектор (Фигура 4). Едната решетка е неподвижна, втората е подвижна и може да бъде механично фиксирана към обекта на интерес или по някакъв начин да предава движението си на сензора. Малко изместване на подвижната решетка води до промяна в интензитета на светлината, записана от фотодетектора, и с намаляване на периода на решетката точността на сензора се увеличава, но неговият динамичен диапазон се стеснява.

Фигура 4 - Оптичен сензор за изместване на базата на дифракционни решетки

Оптичните сензори, които отчитат поляризацията на светлината, имат допълнителни възможности за приложение. Такива сензори могат да реализират алгоритъм за избор на обекти въз основа на отразяващите свойства на повърхността, т.е. сензорът може да "обърне внимание" само на обекти с добра отразяваща способност, други обекти се игнорират. Разбира се, чувствителността към поляризацията се отразява негативно на цената на такива устройства.

Оптичните дистанционери са вид безконтактни сензори, тъй като няма механичен контакт между сензора и обекта на въздействие. Това свойство на устройствата определя тяхното активно използване V автоматични системиуправление. Техният обхват е много по-голям от този на другите видове безконтактни сензори.

Оптичните сензори намират широко приложение за определяне на броя на обектите, наличието на етикети, надписи, стикери, етикети върху техните повърхности, сортиране и позициониране на обекти.

Оптичните дистанционери ви позволяват да контролирате разстоянието и се инсталират в устройствата дистанционно управлениеи други автоматизирани системи.

3. Индуктивни сензори за преместване

В една конфигурация на този тип сензор чувствителният елемент е трансформатор с подвижна сърцевина. Преместването на външен обект кара сърцевината да се движи, което причинява промяна в връзката на потока между първичната и вторичната намотка на трансформатора (Фигура 5). Тъй като амплитудата на сигнала във вторичната намотка зависи от връзката на потока, амплитудата на вторичната намотка може да се използва за преценка на позицията на сърцевината и следователно позицията на външния обект.

Фигура 5 - Индуктивен сензор за изместване на трансформатор

Друга конфигурация има повече проста диаграма, но е подходящ само за малко количествоприложения, където е необходимо да се открият леки движения или вибрации на обекти, състоящи се от феромагнитен материал. В тази схема феромагнитният обект, който представлява интерес, играе ролята на магнитна верига, чиято позиция влияе върху индуктивността на измервателната намотка (Фигура 6).

Схема на индуктивен датчик за преместване на обекти от феромагнитни материали

Фигура 6 - Индуктивен сензор за изместване за обекти, изработени от феромагнитни материали

4. Сензори за преместване на вихров ток

Сензорите от този тип съдържат генератор магнитно полеи записващо устройство, с помощта на което се определя величината на индукцията на вторични магнитни полета. В близост до обекта на интерес генераторът създава магнитно поле, което, прониквайки в материала на обекта, генерира вихрови токове (токове на Фуко) в неговия обем, които от своя страна създават вторично магнитно поле (Фигура 7). Параметрите на вторичното поле се определят от записващото устройство и на тяхна база се изчислява разстоянието до обекта, тъй като колкото по-близо е обектът, толкова по-голям магнитен поток ще проникне в неговия обем, което ще засили вихровите токове и индукцията. на вторичното магнитно поле. Подобен принцип се използва при вихровотокови дефектоскопи, но там параметрите на вторичното магнитно поле се влияят не от разстоянието до обекта, а от наличието на скрити несъвършенства във вътрешната му структура. Методът е безконтактен, но може да се използва само за метални тела.

Първите сензори за разстояние дават информация само за присъствието или присъствието на обект пред устройството под формата на сигнал за включване/изключване. Тези прости сензори за етикети все още се използват в различни индустрии днес.

Междувременно за решаване на по-сложни проблеми на автоматизирането на техническите процеси е необходима допълнителна информация за позицията на измервателните обекти. За целта са разработени таг сензори, които дават възможност за определяне на разстоянието до изследвания обект и неговата позиция с помощта на аналогов изход, на който сигналът е пропорционален на разстоянието до обекта. Такива сензори се използват при измерване на наклон, диаметър и дебелина и по време на центровка.

Индуктивните дистанционери определят разстоянието до проводими метални предмети като месинг, алуминий, стомана. Тъй като принципът на работа на такива сензори се основава на определяне на взаимни индукционни токове, сензорите от този тип са много устойчиви на влиянието на неметални смущения и предмети.

Фигура 7 - Сензор за изместване на вихров ток

Датчиците за вихров ток (сензори за вихров ток) са предназначени за безконтактно измерване на вибрации, движение и честота на въртене на електропроводими обекти. Използват се за диагностика на състоянието на индустриални турбини, компресори и електродвигатели. Най-често обект на контрол е аксиалното изместване и радиалната вибрация на вала на ротора спрямо корпуса.

Приоритетната област за използване на вихровотокови преобразуватели е контролът на аксиалното изместване и страничното биене на валовете на големи турбини, компресори и електродвигатели, които използват плъзгащи лагери. Използването на сензори за скорост и ускорение за тези цели, макар и приемливо, е неоправдано, тъй като поради намаляване на коефициента на пропорционалност между вибрационното изместване на ротора и опората при ниски скорости на въртене, както и значително (3.. .10 пъти) отслабване на вибрациите на ротора от масивното тяло на инсталацията, резултатът ще има голяма грешка. Методът на вихровите токове, напротив, има изключителна точност, тъй като не само няма долна границапо честота, но не изисква математическа обработка на резултатите от измерването поради прякото съответствие на изходния сигнал с текущото изместване на вала или измервателната яка спрямо корпуса.

При малки турбини, генератори и компресори, където се използват търкалящи лагери и масата на корпуса е сравнително малка, е препоръчително да се използват сензори за скорост и ускорение, поставени върху тялото на механизма, за измерване на вибрациите на вала.

5. Ултразвукови сензори за преместване

Ултразвуковите сензори изпълняват принципа на радара - ултразвуковите вълни, отразени от обект, се записват, поради което структурната диаграма обикновено се представя от източник на ултразвукови вълни и записващо устройство (Фигура 8), които обикновено са затворени в компактен корпус. Определянето на забавянето във времето между моментите на изпращане и получаване на ултразвуков импулс ви позволява да измервате разстоянието до обект с точност до десети от милиметъра. Заедно с оптичните сензори, ултразвуковите сензори са може би най-универсалният и технологично усъвършенстван инструмент за безконтактно измерване днес. Използването на този принцип на измерване отново може да се намери в детекторите за откриване на дефекти, само този път в ултразвуковите дефектоскопи.

Верига на ултразвуков сензор за изместване

Фигура 8 - Ултразвуков сензор за изместване

6. Магниторезистивни сензори за преместване

Магниторезистивните сензори за преместване използват зависимостта електрическо съпротивлениемагнитосъпротивителни пластини върху посоката и големината на индукцията на външното магнитно поле. Сензорът обикновено се състои от постоянен магнити електрическа верига, съдържаща магниторезистивни пластини, свързани чрез мостова верига и източник DC напрежение(Фигура 9). Интересен обект, състоящ се от феромагнитен материал, движещ се в магнитно поле, променя конфигурацията си, в резултат на което съпротивлението на плочите се променя и мостовата верига регистрира несъответствие, по чиято величина може да се съди позицията на обекта.

Ултразвуковите сензори могат да откриват твърди, течни, гранулирани и прахообразни обекти.

Обекти със стойност на грапавостта на повърхността по-голяма от 0,15 mm имат предимството, че тяхната повърхност не трябва да бъде директно насочена към самия сензор, но техният работен обхват е намален.

Цветът на обекта няма ефект върху разстоянието на усещане; Освен това прозрачни предмети от стъкло или плексиглас се откриват надеждно. Температурата на обекта влияе върху работния диапазон: горещите повърхности отразяват звука по-зле от студените.

Повърхностите на течностите отразяват звука като твърди, гладки тела. Обърнете внимание на правилната ориентация на сензора. Тъкани, дунапрен, вата и др. поглъщат звука. Следователно работният обхват става по-малък.

Фигура 9 - Магниторезистивни сензори за изместване

В мостовата верига една двойка диагонални мостови елементи включва шунтови ленти, които са разположени под ъгъл +45? към оста на лентата, другата двойка - под ъгъл от -45?. Увеличаването на съпротивлението на една двойка резистори под въздействието на поле съответства на равно намаляване на втората двойка. Полученият диференциален сигнал е линейна функция на амплитудата на външното магнитно поле, нормално към оста на лентата в нейната равнина.

За да се увеличи чувствителността на сензора, всяко рамо на моста с алуминиеви джъмпери е оформено от няколко магниторезистивни филма, успоредно ориентирани върху субстрата като лабиринт.

Поради това мостовите сензори в дизайна на назъбената лента се препоръчват за много измервания - скорост, ъгли, ток, а също така са подходящи за измервания на слабо поле. Предимствата на такива преобразуватели са: висока чувствителност, линейност и възможност за определяне на посоката на полето.

Конкуренти на магниторезистивните сензори в задачите за измерване на скорост, позиция и ток са сензорите на Хол. Ако сравним тези сензори, магниторезистивните имат редица предимства:

1) посоката на полето действа вместо големината на полето, както при ефекта на Хол - широк избор от магнити за измервания, независимо от тяхната остатъчна намагнитност (но в границите на стойностите на насищащото поле);

2) работа в зоната на насищане на напрегнатостта на сензорното поле означава независимост от магнитен дрейф във времето и под въздействието на температурата; независимост от механични допуски (разстояние между магнит и сензор); независимост от температурни ефекти поради изчисляването на функцията на арктангенса при ъглови измервания;

3) ниско отклонение на мостови магниторезистори;

4) магниторезистивните мостови сензори след компенсация са температурно стабилни и имат широк диапазон (-40...160? C).

Тези предимства са особено полезни в автомобилни приложения, при тежки работни условия, които се характеризират с повишено замърсяване, температурни промени и повишени механични вибрации. Висока чувствителностпозволява използването на тези сензори за измерване на слаби полета в навигационни системи, където ефектът на Хол обикновено не се използва.

7. Сензори с ефект на Хол

Сензорите от този тип имат конструкция, подобна на тази на магниторезистивните сензори, но тяхната работа се основава на ефекта на Хол - преминаването на ток през проводник, който е изложен на външно магнитно поле, води до появата на потенциална разлика в напречно сечениедиригент.

Сензорите на Хол се използват широко в различни области на съвременната индустрия, например в машиностроенето, автомобилната електроника и авиацията. За разлика от механичните и оптичните системи, сензорите на Хол имат важно предимство - те са нечувствителни към механични въздействия и промени в параметрите среда, като същевременно гарантира минимизиране на разходите готово решение. Най-широко използвани са т. нар. ключови сензори на Хол, т.е. такива сензори, чийто изход променя логическото си състояние, когато силата на магнитното поле надвиши определена стойност. Съществува обаче отделен клас интегрални схеми с елемент на Хол, който може значително да разшири обхвата на приложение. Говорим за така наречените линейни сензори на Хол. Сред областите на приложение на линейните сензори на Хол има две най-често срещани. Това са уреди за измерване на линейно или ъглово движение и измерване на електрически ток. В повечето случаи те използват за измерване на движението на обекти линейни сензориХол заедно с постоянни магнити. Това се дължи на факта, че за да се поддържа максимална линейност е необходимо да се осигури голяма промяна в магнитното поле, когато разстоянието между сензора и референтната точка на движещия се обект се промени. Линейната зависимост и изолацията от измерения ток прави сензора за линеен ток идеална верига за мониторинг на двигателя. Изходът на интегралната схема на сензора на Хол е пропорционален на тока в проводника, изходният линеен сигнал възпроизвежда точно формата на измерения ток. Трябва да се отбележи, че линеен сензор за ток открива големината на магнитното поле, създадено от протичащия ток, но не и самия ток. Формата на напрежението на изхода на датчика на Хол съответства на формата на измерения ток. Конструкцията осигурява изолация на сензора и гарантира нормална работа при висок ток или високо напрежение. Освен това трябва да помним, че текущите сензори трябва да се използват в диапазона от стойности, близки до максимума, т.к това намалява влиянието на шума.

8. Магнитострикционни сензори за преместване

По правило магнитострикционният сензор е разширен канал - вълновод, по който постоянен пръстеновиден магнит може да се движи свободно. Вътре във вълновода има проводник, който при подаване на електрически импулси може да създаде магнитно поле по цялата му дължина (Фигура 10). Полученото магнитно поле се добавя към полето на постоянен магнит и полученото поле създава въртящ момент на въртене на канала, съдържащ вълновода (ефект на Weidemann). Ротационните импулси се разпространяват по канала в двете посоки със скоростта на звука на материала на канала. Регистрирането на забавянето във времето между изпращането на електрически импулс и получаването на ротационен импулс позволява да се определи разстоянието до постоянния магнит, т.е. определи позицията му. Каналът може да има доста по-голяма дължина(до няколко метра), а позицията на магнита може да се определи с точност до няколко микрометра. Магнитострикционните сензори имат отлична повторяемост, разделителна способност, устойчивост на тежки среди и ниска чувствителност към температурни промени.

Диаграма на магнитострикционен сензор за преместване

Фигура 10. Магнитострикционен сензор за изместване.

Магнитострикция - промяна на размера и формата кристално тялопо време на намагнитване - причинено от промяна в енергийното състояние на кристалната решетка в магнитно поле и, като следствие, разстоянията между възлите на решетката. Най-големи стойностимагнитострикцията достига при феро- и феритомагнетиците, при които магнитното взаимодействие на частиците е особено силно.

Магнитострикционните преобразуватели преобразуват енергията на магнитното поле в механична (звукова или ултразвукова) енергия. Тяхното действие се основава на магнитоеластичния ефект, т.е. върху факта, че някои метали (желязо, никел, кобалт) и техните сплави се деформират в магнитно поле. Феритите (материали, синтеровани от смес от железен оксид с оксиди на никел, мед, кобалт и други метали) също имат изразени магнитоеластични свойства. Ако магнитоеластичен прът се постави по протежение на променливо магнитно поле, тогава този прът ще се скъсява и удължава последователно, т.е. изпитват механични вибрации с честота на променливо магнитно поле и амплитуда, пропорционална на неговата индукция. Вибрациите на трансдюсера възбуждат ултразвукови вълни със същата честота в твърдата или течната среда, с която той влиза в контакт. Обикновено такива преобразуватели работят на естествената честота на механичните вибрации, тъй като тя е най-ефективна при преобразуването на енергия от една форма в друга. Магнитострикционните преобразуватели, изработени от тънка ламарина, работят най-добре в нискочестотния ултразвуков диапазон от 20 до 50 kHz, при честоти над 100 kHz имат много ниска ефективност.

В практиката се използват два вида магнитострикционни преобразуватели: пръчковидни и пръстеновидни, изработени от магнитни сплави или ферити. Металните сплави се използват за производство на мощни магнитострикционни преобразуватели, тъй като имат високи якостни характеристики. Въпреки това, високата електрическа проводимост на сплавите причинява, в допълнение към загубите, дължащи се на обръщане на намагнитването, значителни загуби, дължащи се на макровихрови токове или токове на Фуко. Следователно преобразувателите са направени под формата на пакет от плочи с дебелина (0,1 х 0,2) mm. Значителните загуби определят относително ниската ефективност на такива преобразуватели (40% h 50%) и необходимостта от водно охлаждане. Феритните преобразуватели имат по-висока ефективност (70%), тъй като при високо електрическо съпротивление те нямат загуби поради токове на Фуко, но техните мощностни характеристики са много ограничени поради ниската механична якост.

По целия свят сензорите за линейно изместване (или както ги наричат ​​още: сензори за линейно положение, сензори и измерватели на пътя), базирани на ефекта на магнитострикция, се използват успешно от две десетилетия.

9. Потенциометрични сензори за преместване

Този тип сензор се основава на електрическа верига, съдържаща потенциометър (Фигура 11). Линейното движение на обект води до промяна на съпротивлението на потенциометъра (променлив резистор). Ако през потенциометъра премине постоянен ток, тогава спадът на напрежението върху него ще бъде пропорционален на големината на съпротивлението и, следователно, на големината на линейното движение на обекта, който ни интересува.

Верига на потенциометричен сензор за преместване

Фигура 11. Потенциометричен сензор за преместване.

Потенциометричният сензор е променлив резистор, към който се прилага захранващото напрежение, неговата входна стойност е линейното или ъглово движение на токоприемащия контакт, а изходната стойност е напрежението, отстранено от този контакт, променящо се по стойност при промяна на позицията му.

Според метода на извършване на съпротивление потенциометричните сензори се разделят на

· ламелни с постоянно съпротивление;

· тел с непрекъснато навиване;

· с резистивен слой.

Ламеларните потенциометрични сензори бяха използвани за извършване на относително груби измервания поради определени ограничения на дизайна.

В такива сензори постоянни резистори, избрани по номинална стойност по специален начин, са запоени към ламелите.

Ламелата е структура с редуващи се проводими и непроводими елементи, по които се плъзга токоприемният контакт (Фигура 11). Когато токоприемникът се движи от един проводящ елемент към друг, общото съпротивление на свързаните към него резистори се променя със стойността, съответстваща на номиналната стойност на едно съпротивление. Промените в съпротивлението могат да настъпят в широк диапазон. Грешката на измерване се определя от размера на контактните площадки.

Фигура 11 Ламелен потенциометричен сензор

Телните потенциометрични сензори са предназначени за по-точни измервания. Като правило, техните конструкции представляват рамка, изработена от гетинакс, текстолит или керамика, върху която е навит тънък проводник в един слой, завой до завой, по чиято почистена повърхност се плъзга токоприемник.

Диаметърът на проводника определя класа на точност на потенциометричния сензор (висок 0,03-0,1 mm, нисък 0,1-0,4 mm). Телни материали: манганин, фехрал, сплави на базата на благородни метали. Токоприемникът е изработен от по-мек материал за предпазване от протриване на проводника.

Предимства на потенциометричните сензори: простота на дизайна; малки размери и тегло; висока степен на линейност на статичните характеристики; стабилност на характеристиките; възможност за работа на променлив и постоянен ток.

Недостатъци на потенциометричните сензори: наличието на плъзгащ се контакт, който може да причини повреди поради окисляване на контактната писта, протриване на завоите или огъване на плъзгача; грешка в работата поради натоварване; относително малък коефициент на преобразуване; висок праг на чувствителност; наличие на шум; чувствителност към електрическа ерозия под въздействието на импулсни разряди.

Публикувано на Allbest.ru

Подобни документи

Свойства на индуктивни, капацитивни, магнитострикционни, реостатни и преобразуватели на Хол. Основни изисквания към преобразувателя, принципа на неговото действие. Изчисляване на функцията на преобразуване, чувствителност, основни параметри и грешка.

курсова работа, добавена на 29.07.2013 г


Принципът на ефекта на Фарадей в работата на фиброоптични сензори за ток. Разработване и изследване на микроструктурирани оптични влакна. Сравнение на оптичен сензор и токов трансформатор. Потенциални приложения на оптични сензори за ток.

резюме, добавено на 12.11.2015 г


Концепция и функционални характеристикипотенциометрични сензори, техните разновидности и отличителни черти, предназначение и принцип на действие. Статични и динамични характеристики на линеен, реверсивен и функционален потенциометричен сензор.

презентация, добавена на 24.12.2011 г


Предназначение и принцип на действие на потенциометрите. Зависимост на изходното напрежение от движението на плъзгача. Електрическа схемапотенциометричен сензор. Статични характеристики на натоварени потенциометри. Обратими и необратими видове включване.

презентация, добавена на 05/10/2016


Фотоелектрични сензори за положение, характеристики, обхват на приложение, принцип на тяхното действие. Ултразвукови измервателни уреди с цифрови и аналогови изходи, техните предимства. Индуктивни сензори за положение и преместване, принцип на измерване, схема на свързване.

курсова работа, добавена на 25.04.2014 г


Проектиране на безконтактно устройство на примера на електромагнитен линеен сензор за преместване. Изчисляване на намотки и сърцевина, проектиране на сензори на базата на линейно регулируеми диференциални трансформатори, изследване на техните режими на работа.

курсова работа, добавена на 06/11/2015


Концепция и общи свойствасензори Отчитане на работните характеристики на датчиците за скорост и ускорение. Характеристики на оптични, електрически, магнитни и радиационни методи за измерване. Анализ на реални оптични сензори, сензори за скорост на въртене и ускорение.

курсова работа, добавена на 14.01.2016 г


Патентен и аналитичен преглед на датчици за измерване на скоростта, основа за тяхната класификация. Принцип на действие и технически спецификации електромагнитни сензорискорост. Използване на ефекта на Хол за проектиране на сензор за скорост на автомобил.

курсова работа, добавена на 13.01.2015 г


Концепцията и предназначението на измервателните преобразуватели - сензори, принципът на тяхното действие и техните функции, възможности и основни елементи. Класификация на източниците на първична информация. Сензори за измерване на променливи на процеса.

курсова работа, добавена на 05/04/2010


Блокова схема, характеристики и режими на работа на микросхемата на преобразувателя Angle-Code за обработка на сигнали от индуктивни сензори от типа SKVT (синус-косинусови въртящи се трансформатори). Нейното сравнение с чужди аналозии модули базирани на тях.

Каним ви да се запознаете с физическите принципи на работата, произведена от RDP Electronics Ltd (Обединеното кралство), с техните основни параметри, предимства и области на приложение.

Терминът LVDT (линеен променлив диференциален трансформатор) означава линеен диференциален трансформатор с променливо предавателно отношение.

Нека разгледаме принципа на работа на сензорите, базирани на технологията LVDT.

Първична вълнуваща намотка
Вторична намотка 1
Вторична намотка 2
Полученият сигнал от сумата на вторичните намотки

Принципно има две схеми на работа - с изходно напрежение и изходен ток.

Схема на работа с изходен ток (4-20mA)

Нека разгледаме по-отблизо процеса на измерване на изместването.

Сензорът за преместване, работещ по технологията LVDT, се състои от три трансформаторни намотки - една първична и две вторични. Степента на предаване на ток между първичната и двете вторични намотки се определя от положението на подвижната магнитна сърцевина, пръта. Вторичните намотки на трансформатора са свързани в противофаза.

Когато прътът е в средата на трансформатора, напрежението на двете вторични намотки е еднакво по амплитуда и тъй като те са свързани в противофаза, общото напрежение на изхода е нула - няма движение.

Ако прътът се премести от средното положение във всяка посока, напрежението се увеличава в една от вторичните намотки и намалява в другата. В резултат на това общото напрежение няма да бъде нула - сензорът ще записва изместването на пръта.

Съотношението на изходната фаза на сигнала спрямо фазата на възбуждащия сигнал позволява на електрониката да разбере в коя част от намотката се намира прътът в момента.

Основната характеристика на принципа на работа на индуктивните сензори за изместване е, че няма директен електрически контакт между чувствителния елемент и трансформатора (комуникацията е чрез магнитно поле), което дава на потребителите абсолютни данни за изместване, теоретично безкрайна точност на разделителната способност и много дълъг живот на сензора.

Характеристики на веригата на изходния ток- тъй като веригата генератор/демодулатор е вградена в самия сензор за преместване и се захранва от изходен ток 4-20 mA, няма нужда от външно оборудване за кондициониране на сигнала.

Характеристики на веригата на изходното напрежение- схема генератор/демодулатор, вградена в датчика за преместване, осигурява възбуждане и преобразува сигнала обратна връзкав напрежение DC. В този случай също не е необходимо външно оборудване за генериране на сигнал.

Характеристики на измерване на изходния сигнал.
1) Ако изходното напрежение се измерва с фазово нечувствителен (rms) волтметър, тогава отклонението на пръта във всяка посока от централната позиция в трансформатора на сензора ще съответства на увеличение на изходното напрежение.

Имайте предвид, че кривата не докосва хоризонталната ос. Това се дължи на остатъчното изходно напрежение.

2) Ако се използва фазово-чувствителна демодулация, тогава от изходния сигнал може да се прецени в коя част на трансформатора се намира прътът в момента.

Фазочувствителната демодулация винаги се използва за генериране на сигнал, т.к това елиминира ефекта на остатъчното изходно напрежение върху изходния сигнал и позволява на потребителя да знае позицията на пръта в трансформатора.

Ако погледнем кривата на изхода извън механичния диапазон на типичен LVDT сензор, можем да видим, че кривата се огъва в краищата на диапазона. Това означава, че механичният диапазон е значително по-широк от линейната зона на работа.

При калибриране на сензор е важно електрическата нулева точка да се използва като еталон и сензорът да се използва в рамките на ±FS (пълен обхват) около електрическата нулева позиция.

Ако калибрирането не се основава на точката на нулево напрежение, една от позициите на пълния диапазон ще бъде извън линейния диапазон и следователно може да доведе до грешка в линейността.

Видове индуктивни сензори за преместване

Несвързани преобразуватели, които имат арматура, която е отделена от тялото на тялото. Частите на сензора трябва да бъдат монтирани по такъв начин, че арматурата да не докосва вътрешната тръба на корпуса. По този начин можете да постигнете абсолютна липса на триене при движение на чувствителния елемент на сензора.

Монолитни преобразуватели, които имат тефлонов лагер, който води арматурата (пръта) по вътрешната тръба.

Монолитни преобразуватели с възвратна пружина, която избутва арматурата (пръта) навън.

Вътрешна структура на типичен LVDT индуктивен сензор за преместване

Предимства на LVDT индуктивни сензори за преместване

1. Предимства пред линейните потенциометри (POTS).

• Няма контакт между тялото и вътрешните части и чувствителния елемент, което означава, че няма износване при движение на пръта. POTS сензорите имат контакт с чувствителния елемент и могат да се износят бързо, особено когато са изложени на вибрации.
• Защитата от влага и прах може лесно да се постигне на необходимото ниво, дори стандартните версии на сензори LVDT обикновено имат много най-добро нивозащита от външни влиянияотколкото POTS.
• Вибрацията не причинява прекъсване на сигнала, за разлика от POTS, където плъзгачът може да прекъсне контакта с проводника, когато вибрира.

2. Предимства пред магнитострикционните сензори.

3. Предимства пред енкодери (датчици за положение).

• Имате най-добрата аналогова честотна характеристика.
• Имат по-издръжливо тяло.
• Веднага след включване те „знаят” позицията на пръта, за разлика от енкодерите, които трябва да осигурят постоянна връзка с известната позиция.

4. Предимства пред векторните преобразуватели с променливо съпротивление (VRVT)

• Те имат по-малък диаметър на тялото.
• По-издръжливи и не се износват.
• Може да се използва много по-дълго.

5. Предимства пред линейните капацитивни сензори

• LVDT сензорите обикновено са по-евтини.
• По-малко податливи на външни условияоперация.
• Значително по-издръжлив.

Характеристики на LVDT индуктивни сензори за изместване

• Максимум работна температура 600°C.
• Минимална работна температура –220°C (за справка температура на течен азот -196°C, температура на течен хелий -269°C).
• Може да работи при нива на радиация от 100 000 rad.
• Може да работи при налягане от 200 бара.
• Те могат да работят под вода и водата може да попадне вътре в сензора, без да му навреди. Има специална серия подводни сензори, които могат и без тях. проверка, работа под вода 10 години, работа под вода на дълбочина до 2,2 км. Кабелните конектори могат да бъдат свързани и под вода.

Основни приложения на LVDT сензори

Индустриални измервателни системи

• Регулиращи вентили - навсякъде, където има контролни вентили индуктивни сензоридвиженията могат да се използват за контролиране на позицията на стеблото на клапана. Особено там, където има критични области на работа, например при парни клапани за турбини в електроцентрали.
• Мониторинг на позицията на шлюза - Потопяемите сензори за изместване са подходящи за измерване на позицията на шлюзовете във водни и канализационни системи.
• Измерване на разстоянието между ролките.
  За да се поддържа еднаква дебелина на валцуваните продукти, разстоянието между ролките често се измерва в двата края.
• Мониторинг на движението на клапанните пръти по подводни нефто/газопроводи.
• Мониторинг на работата на хидравличните активатори - измерване на движението на обекта, който активаторът движи. Благодарение на изключително високата си устойчивост на износване, тези LVDT сензори за движение могат да издържат милиони цикли на движение.
• Контрол на позицията/движението на режещите инструменти, отрязващи валцувани материали.
• Измерва позицията/отместването на ролките, които се използват за изправяне на навитата лента преди щамповане.
• Може да се използва за динамично измерване на размерите (диаметрите) на продуктови ролки, например, задейства сигнал към системата за управление, когато ролката достигне максималния/минималния размер по време на навиване/навиване на материала.

Инструментални машини

• Може да се използва при тестване на приспособления за измерване на кръглост, плоскост и др. машинни части за анализ на качеството на тяхната изработка.
• Може да се използва за оценка и контрол на относителната позиция на компоненти на части в сглобка, когато се изисква настройка/настройка на размерите на относителната позиция на частите.

Авиация/космос

• Може да се използва за оценка на реакцията на задвижването към действието на активатора. Например, трансдюсерът измерва позицията на задкрилките на крилото на самолет, когато поддръжка. Тук е много важно да се измери скоростта на работа на активатора след подаване на управляващ сигнал към него, както и скоростта на промяна на положението на клапите.
• Анализ на ротора на хеликоптер
  Сензорите LVDT се използват на хеликоптери за измерване на ъгъла на наклона на лопатките на ротора.
• Може да се използва за оценка на изместването на корпуса на двигателя при нагряване.
• Може да се използва за измерване на преместването (деформацията) на турбинна лопатка под външно въздействие.
• Може да се използва за измерване на отклонението на диафрагмата на дюзата на реактивен двигател.
• Може да се използва за

Строителство / Проектиране на сгради и съоръжения

• Може да се използва за измерване на вибрации или деформация на мостове поради промени в трафика или пориви на вятъра.
• Може да се използва за измерване на преместване на земята по време на строителство, наблюдение на свлачища и насипни язовири.
• Могат да се използват при изпитване на големи деформации на големи строителни конструкции, греди, мостови участъци и др.

Автомобилна индустрия

• Може да се използва за наблюдение на обема на корпуса на двигателя по време на тестване.
• Идеално приложение за LVDT сензори би било тестването на компоненти на окачването на превозни средства.
• Може да се използва за контрол на производството на прецизни компоненти.
• Може да се използва за настройка на компоненти на двигателя като дизелови инжектори.
• Може да се използва за тестване на врати, педали и дръжки на превозни средства, за да се симулира удължаване на експлоатационния им живот.
• Може да се използва за измерване на профила на повърхността на детайл, като стъкло или други обекти.

Производство на енергия

• Може да се използва за измерване на биене на турбинния вал.
• Може да се използва за управление на позицията на главния парен клапан, който регулира потока на пара в турбината. Вентилът постоянно регулира позицията си, за да поддържа постоянна скорост на турбината. Сензорите LVDT са идеални за работа в района високи температури, мръсотия и постоянни вибрации.
• Може да се използва за управление на позицията на байпасния клапан. Когато байпасният клапан се отвори, сензорът може да изпита температура от 200°C.

Изпращането на вашата добра работа в базата знания е лесно. Използвайте формата по-долу

Студенти, докторанти, млади учени, които използват базата от знания в обучението и работата си, ще ви бъдат много благодарни.

Публикувано на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

ДЪРЖАВНО УЧЕБНО ЗАВЕДЕНИЕ

ВИСШЕ ПРОФЕСИОНАЛНО ОБРАЗОВАНИЕ

"ЛИПЕЦК ДЪРЖАВЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ"

Катедра по физика и биомедицинско инженерство

Курсова работа по темата:

„Медицински измервателни преобразувателии електроди"

Тема: „Сензори за движение и позиция“

Изпълнил: ученик гр. IM-09-1

Росихин А.Н.

Приема се: ст.пр. Назарова V.A.

Липецк 2011 г

Въведение

Тъй като светът на производството става все по-автоматизиран, промишлените сензори играят все по-важна роля за увеличаване на производителността и безопасността.

В продължение на две десетилетия сензорите и измервателите на разстояние се използват успешно във всички индустрии: сензор за позиция, сензор за преместване. Като свързващо звено между електронните и механичните части на устройствата, сензорът за преместване или сензорът за позиция се превърна в неразделен елемент от оборудването за автоматизиране на различни процеси.

Тази работа е посветена на безконтактни сензори, а именно индуктивни, капацитивни и оптични сензори. Всеки тип има своите силни страни и слабости, следователно в зависимост от условията и изискванията за използване на сензора се избира един или друг вид. Ще ви кажем какви са безконтактните сензори, ще говорим за техните предимства и примери за използване. В нашата работа обърнахме голямо внимание на капацитивния сензор. Разгледахме устройства, създадени на негова основа.

В това изследователска работапредставена е информация, която е резултат от обработка на данни на безконтактни сензори.

Цел на работата: да се изучат устройствата, принципите на работа и характеристиките на безконтактните сензори, явленията, които са в основата на тяхната работа, приложение и да се идентифицират техните предимства и недостатъци.

Задачата научна работае придобиване на умения за събиране и обработка на научна и техническа информация.

безконтактен сензор индуктивен оптичен

1. Сензор, обща информация

Сензор, датчик (от английски сензор) е термин за системи за управление, първичен преобразувател, елемент от измервателно, сигнализиращо, регулиращо или управляващо устройство на система, което преобразува контролирано количество в сигнал, удобен за използване.

В момента различни сензори се използват широко при изграждането на автоматизирани системи за управление.

Сензорите са елемент технически системи, предназначени за измерване, сигнализиране, регулиране, управление на устройства или процеси. Сензорите преобразуват контролираното количество (налягане, температура, поток, концентрация, честота, скорост, изместване, напрежение, електрически токи др.) в сигнал (електрически, оптичен, пневматичен), удобен за измерване, предаване, преобразуване, съхраняване и запис на информация за състоянието на измервания обект.

Исторически и логично, сензорите са свързани с измервателната технология и измервателни уреди, например термометри, разходомери, барометри, устройство за индикатор на положението и др. Общият термин сензор се засили във връзка с развитието на системите за автоматично управление, като елемент от обобщената логическа концепция сензор - управляващо устройство - изпълнителен механизъм - управление обект. Специален случай е използването на сензори в автоматични системи за запис на параметри, например в системи за научни изследвания.

Дефиниции на понятието сензор.

Две основни значения са широко разпространени:

чувствителен елемент, който преобразува параметрите на околната среда в сигнал, подходящ за техническа употреба, обикновено електрически, макар и възможно от различно естество, например пневматичен сигнал;

цялостен продукт, базиран на горния елемент, включващ в зависимост от необходимостта устройства за усилване на сигнала, линеаризация, калибриране, аналогово-цифрово преобразуване и интерфейс за интегриране в системи за управление. В този случай чувствителният елемент на самия сензор може да се нарече сензор.

Тези значения са в съответствие с използването на термина от производителите на сензори. В първия случай сензорът е малко, обикновено монолитно електронно устройство, например термистор, фотодиод и др., което се използва за създаване на по-сложни електронни устройства. Във втория случай това е пълно функционално устройство, свързано чрез някой от познатите интерфейси към системата автоматично управлениеили регистрация. Например фотодиоди в матрици и др.

В зависимост от вида на входното (измерваното) количество се разграничават:

механични сензори за преместване (линейни и ъглови),

пневматичен,

електрически,

Разходомери,

Сензори за скорост,

ускорение,

Температури

налягане и др.

Има три класа сензори:

Аналогови сензори, т.е. сензори, които произвеждат аналогов сигнал, пропорционална на изменението на входящата величина;

Цифрови сензори, които генерират импулсна поредица или двоична дума;

Двоични (двоични) сензори, които произвеждат сигнал само от две нива: „включено/изключено“ (с други думи 0 или 1); са получили широко разпространение поради своята простота.

2. Сензори за позиция

Сензор за позиция (сензор за изместване) е устройство, предназначено да определя местоположението на обект, който може да бъде в твърда или течна форма или да бъде гранулирано вещество.

Сензорите за положение са основните източници на информация за системите за автоматизация, както на базата на релейни или логически схеми, така и на базата на програмируеми контролери. Надеждността на цялата система се определя от надеждността на елемента, който е най-податлив на дестабилизиращи фактори.

Има два вида сензори за положение (сензори за преместване): безконтактни (индуктивни сензори, магнитни, капацитивни, ултразвукови, оптични) и контактни. Основният представител на втория тип е енкодер - устройство, което преобразува ъгъла на въртене на обект в сигнал, който ви позволява да определите този ъгъл.

Въз основа на вида на изхода, датчикът за положение (сензор за преместване) се разделя на аналогов, цифров и дискретен (превключватели).

3. Безконтактни сензори

Безконтактните сензори и превключвателите за близост са устройства за индустриална автоматизация, предназначени да контролират позицията на обектите. ГОСТ 26430-85 въвежда термина „безконтактен превключвател“. Впоследствие GOST R 50030.5.2-99 заменя термина с „безконтактен сензор“. В момента и двата термина се използват за тези продукти.

Фиг.1.1. Външен вид на безконтактен сензор

Безконтактният превключвател извършва превключваща операция, когато обектът на въздействие навлезе в зоната на чувствителност на превключвателя. Липсата на механичен контакт между обекта на въздействие и чувствителния елемент на безконтактния превключвател осигурява висока надеждност на работата му.

Фиг.1.2. Превключвател за близост

Опростено, функционалната схема на безконтактния превключвател се състои от три блока:

Фиг.1.3. Функционална схема на безконтактен ключ

Когато обектът на въздействие се доближи до активната повърхност на чувствителния елемент, безконтактният ключ се задейства. В този случай превключващият елемент прави късо съединение или отваря (или изпълнява и двете операции) в DC вериги до 400 mA и във вериги ACдо 250 mA.

Безконтактните сензори за положение се класифицират според принципа на действие на чувствителния елемент - индуктивни, оптични, капацитивни и др.

Превключвателите за близост са основните устройства за автоматизация технологичен процесразлични индустрии като

машиностроене,

автомобилна индустрия,

машинно инженерство,

хранително-вкусовата промишленост и др.

Такъв широк обхват на приложение на VB се дължи на голям бройвъзможни технологични решения, реализирани с тяхна помощ:

преброяване на броя на обектите,

контрол на позицията на обекта,

определяне на скоростта,

определяне на ъгъла на завъртане

и много повече.

3.1 Индуктивни сензори

Индуктивният сензор е безконтактен сензор, предназначен за безконтактно получаване на информация за движенията на работните органи на машини, механизми, роботи и др. и преобразуване на тази информация в електрически сигнал.

Индуктивният сензор разпознава и реагира съответно на всички проводими обекти.

Индуктивните сензори се използват широко за решаване на проблеми в автоматизирани системи за управление на процеси. Изпълнява се с нормално отворен или нормално затворен контакт.

Принципът на работа се основава на промяна на параметрите на магнитното поле, създадено от индуктора вътре в сензора.

Движението, което трябва да бъде измерено, включва един от елементите на магнитната верига, който по този начин предизвиква промяна в потока през измервателната намотка и съответния електрически сигнал.

Ако движещият се елемент е феромагнитна сърцевина, тогава неговото движение по време на транслационно движение или въртене се проявява а) в промяна на коефициента на самоиндуктивност на бобината (променлива индуктивност) или б) в промяна на коефициента на свързване между първичната и вторични намотки на трансформатора (диференциален трансформатор), което води до промяна на вторичното напрежение.

В трансформатор с променливо свързване една намотка може да се върти спрямо друга, фиксирана (едната от тях играе ролята на източник, а другата - приемник). Първичната намотка образува индуктор, а вторичната намотка с индуциран ток произвежда напрежение като функция от ъгъла на въртене (индуктивен потенциометър, резолвер).

Зависимостта на коефициента на самоиндукция L или взаимна индукция M от движението на намотката обикновено има посредствена линейност; нейната линейност може значително да се подобри чрез диференциално включване на две допълнителни намотки с коефициенти M и L, променящи се за дадено движение в противоположни посоки, което осигурява частична компенсация на нелинейността.

Индуктивният сензор е свързан към верига, захранвана от синусоидален източник на напрежение, чиято честота обикновено е ограничена до няколко десетки килохерца, за да се намалят както смущенията, така и магнитните загуби и загубите, дължащи се на токове на Фуко. Измереното напрежение vm се получава чрез модулиране на амплитудата на захранващото напрежение Es cosсst чрез преместване на x(t):

vm = kx(t) Escos(уst + Ф) (1).

Понякога промените в индуктивния елемент могат да служат за модулиране на честотата на трептене пропорционално на движението. Във всеки случай, независимо от вида на модулацията, честотата f трябва да бъде много по-ниска от носещата честота, за да се улесни откриването (f

По своята същност индуктивните сензори, от една страна, са чувствителни към външни електромагнитни полета, а от друга, могат сами да ги индуцират. Следователно индуктивните сензори трябва да бъдат поставени в корпус, който служи като магнитен щит.

Структура

Индуктивните безконтактни превключватели се състоят от следните основни компоненти:

Фиг.2.1. Индуктивни превключващи устройства

Генераторът създава електромагнитно поле на взаимодействие с обект.

Тригерът осигурява хистерезис по време на превключване и необходимата продължителност на фронтовете на управляващия сигнал.

Усилвателят увеличава амплитудата на сигнала до необходимата стойност.

LED индикаторът показва състоянието на превключвателя, осигурява наблюдение на производителността и бърза настройка.

Съединението осигурява необходимата степен на защита срещу проникване на твърди частици и вода.

Корпусът осигурява монтаж на превключвателя и го предпазва от механични въздействия. Изработени от месинг или полиамид, оборудвани с хардуерни продукти.

Основни определения.

1. Активна зона.

Активната зона на безконтактен индуктивен превключвател е зоната пред неговата чувствителна повърхност, където магнитното поле на чувствителния елемент на сензора е най-концентрирано. Диаметърът на тази повърхност е приблизително равен на диаметъра на сензора.

ориз. 2.2. Активна зона на сензора

2. Номинално разстояние на засичане.

Фиг.2.3. Номинално разстояние на превключване

Номиналното разстояние на превключване е теоретична стойност, която не отчита промените в работните параметри на сензора, промените в температурата и захранващото напрежение.

Номиналното разстояние на реакция (Sn) е основният параметър на сензора, нормализиран за даден размер при номиналното захранващо напрежение и температура. Разстоянието на реакция се увеличава с увеличаване на размерите на чувствителния елемент и съответно с увеличаване на размерите на сензора.

Съгласно GOST R 50030.5.2-99, индуктивният сензор трябва да работи в рамките на гарантиран интервал на реакция, а именно в диапазона от 0 (т.е. от повърхността на чувствителната сензорна глава) до 81% от декларирания Sn за стандартизиран стоманен обект на въздействие.

Интервалът на реагиране на сензорите обективно зависи от температурата на околната среда.

По правило сензорът е инсталиран така, че обектът на въздействие (движещ се структурен елемент) да се движи успоредно на чувствителната повърхност на устройството.

3. Работна празнина.

Работната междина е всяко разстояние, което осигурява надеждна работа на безконтактния превключвател в границите на допустимата температура и напрежение.

Фиг.2.4. Схема на датчик с измерена междина

Коефициент на корекция за работна междина.

Коефициентът на корекция позволява да се определи работната междина, която зависи от метала, от който е направен обектът на въздействие.

Има сензори, които са вградени (позволяващи вграждане в метал) и невградени. Във втория случай сензорите имат по-голямо разстояние на реакция.

Фигурата показва зависимостта на изходния сигнал от разстоянието до диска.

Фиг.2.5. Зависимост на напречния датчик за близост на изходния сигнал от разстоянието.

3.1.1. Сензор с променлива индуктивност

Коефициентът на самоиндукция L на намотка от N навивки проводник зависи от магнитното съпротивление на свързаната с нея магнитна верига:

L = N2/R, където R = .

Тук m е магнитната проницаемост и S е площта на напречното сечение на контура.

Ако площта на напречното сечение на различните сегменти на магнитната верига е постоянна,

където lf и l0 са дължината на линиите на полето във феромагнитния материал и във въздуха, съответно, sf и s0 са площите на напречното сечение на магнитната верига и междината, mf е относителната магнитна проницаемост на феромагнитния материал (около 103h104) и mo = 4p 10-7 (в система SI).

Магнитна верига с измерима междина. Въз основа на общата формула е лесно да се установи израз за коефициента на самоиндукция:

Тъй като индуктивността трябва да е чувствителна към измерването на празнината, трябва да изберете l0 » lf / mf, от тук получаваме израза за L:

Преместването на Dx на плочата води до промяна на Dl0 = 2Dx на празнината и индуктивността придобива нова стойност:

Чувствителността зависи от първоначалното положение l0 на плочата: колкото по-малко е l0, толкова по-високо е в този случай чувствителността може да се счита за постоянна само в случай, че преместванията са много малки в сравнение с l0; Това ограничава използването на този тип сензор за напрежение до порядъка на милиметър.

Чувствителността и линейността могат да бъдат подобрени чрез различно свързване на две еднакви намотки и сърцевини, разположени симетрично спрямо движещата се плоча.

Намотка с подвижна сърцевина. Феромагнитното ядро ​​е свързано с частта, чиято позиция или движение трябва да се измерва. Тази сърцевина е потопена на променлива дълбочина lf в намотка, съдържаща N навивки проводник, равномерно разпределени по дължина l (фиг. 2.6).

ориз. 2.6. Принципна схема на намотка с подвижна сърцевина.

1 - намотка; 2 - магнитна сърцевина.

Коефициентът на самоиндукция L на намотката зависи от дълбочината на потапяне на сърцевината. При изчисляване на L индуктивността се разглежда като последователна комбинация от изпълнена с въздух индуктивност с дължина l0 с коефициент на самоиндуктивност Lo и индуктивност на желязна сърцевина с дължина lf с коефициент на собствена индуктивност Lf; коефициентът на взаимна индукция е M.

където е коефициентът на свързване, приет за постоянен.

ориз. 2.7. Диференциално задействане на две бобини с подвижна сърцевина.

3.2 Капацитивни сензори

Капацитивен сензор, измервателен преобразувател на неелектрически величини (ниво на течност, механични сили, налягане, влажност и др.) в стойности на електрически капацитет. Структурно капацитивният сензор е плоскопаралелен или цилиндричен електрически кондензатор.

Принцип на действие на капацитивните безконтактни превключватели

Капацитивните сензори имат чувствителен елемент под формата на кондензаторни пластини, разположени към активната повърхност.

Принципът на работа на капацитивните сензори се основава или на промяна на геометрията на кондензатора (т.е. промяна на разстоянието между плочите), или на промяна на капацитета поради поставянето на различни материали между плочите: електропроводими или диелектрични. Промените в капацитета обикновено се преобразуват в променлив електрически сигнал.

Принципът на действие се основава на зависимостта на електрическия капацитет на кондензатора от размера, взаимното разположение на неговите пластини и от диелектричната проницаемост на средата между тях.

За плосък кондензатор с двойна плоча електрическият капацитет се определя от израза:

където e0 е диелектричната константа; e е относителната диелектрична проницаемост на средата между плочите; S е активната площ на плочите; d е разстоянието между плочите на кондензатора.

Зависимостите C(S) и C(d) се използват за преобразуване на механичните движения в промени в капацитета.

Приближаването на обект от всякакъв материал до активната повърхност води до промяна в капацитета на кондензатора, параметрите на генератора и в крайна сметка до превключване на превключващия елемент.

Устройство и принцип на работа на капацитивен сензор

ориз. 2.8. Капацитивно сензорно устройство

Капацитивният сензор за близост функционира както следва:

1. Генераторът осигурява електрическо поле за взаимодействие с обекта.

2. Демодулаторът преобразува изменението на амплитудата на високочестотните трептения на генератора в изменение на постоянно напрежение.

3. Тригерът осигурява необходимия наклон на фронта на превключващия сигнал и стойността на хистерезис.

4. Усилвателят увеличава изходния сигнал до необходимата стойност.

5. LED индикаторът показва състоянието на превключвателя, осигурява работоспособност и бърза настройка.

6. Съединението осигурява необходимата степен на защита срещу проникване на твърди частици и вода.

7. Корпусът осигурява монтаж на превключвателя и го предпазва от механични въздействия. Изработени от месинг или полиамид, оборудвани с хардуерни продукти.

Активната повърхност на капацитивен безконтактен сензор се формира от два метални електрода, които могат да се разглеждат като плочи на "разгънат" кондензатор. Електродите са включени във веригата за обратна връзка на високочестотен автоосцилатор, конфигуриран по такъв начин, че ако няма обект в близост до активната повърхност, той не генерира. Когато се приближи до активната повърхност на капацитивен сензор за близост, обектът влиза в електрическо поле и променя капацитета на обратната връзка. Генераторът започва да произвежда трептения, чиято амплитуда се увеличава с приближаването на обекта. Амплитудата се оценява от последващата верига за обработка, която генерира изходния сигнал. Капацитивните безконтактни сензори се задействат както от електропроводими обекти, така и от диелектрици. При излагане на обекти, изработени от електропроводими материали, действителното разстояние на реакция Sr е максимално, а когато е изложено на обекти, направени от диелектрични материали, разстоянието Sr намалява в зависимост от диелектричната константа на материала er (вижте графиката на зависимостта на Sr на er и таблицата на диелектричната константа на материалите). Когато работите с обекти, направени от различни материали, с различни диелектрични константи, е необходимо да използвате графика на Sr спрямо er. Номиналното разстояние на действие (Sn) и гарантираният интервал на експозиция (Sa), посочени в техническите характеристики на превключвателите, се отнасят за заземен метален обект на въздействие (Sr=100%). Коефициент за определяне на действителното разстояние на засичане (Sr): 0,9 Sn< Sr < 1,1 Sn.

Фигура 2.9 Зависимост на действителното разстояние на реакция Sr от диелектричната проницаемост на материала на обекта Er

Диелектрична константа на някои материали:

Капацитивните сензори могат да бъдат еднополярни (включват само един кондензатор), диференциални (включват два кондензатора) или мостови (тук вече се използват четири кондензатора). В случай на диференциални или мостови сензори един или два кондензатора са постоянни или променливи, свързани един срещу друг.

На практика, когато се измерва движението на електропроводим обект, повърхността му често играе ролята на кондензаторна плоча. На фиг. 2.10. показва принципна диаграма на еднополюсен капацитивен сензор, в който една от пластините на кондензатора е свързана към централния проводник на коаксиалния кабел, а другата пластина е самият обект. Имайте предвид, че собствената пластина на сензора е заобиколена от заземен екран, който подобрява линейността и намалява ефектите на ръбовете. Типичният капацитивен сензор работи на честоти в диапазона от 3 MHz и може да открие движенията на бързо движещи се обекти. Честотните характеристики на такъв сензор с вграден електронен интерфейс са в диапазона 40 kHz.

Капацитивните сензори за близост са много ефективни при работа с електропроводими обекти и измерват капацитета между електрода и самия обект. Капацитивните сензори също работят доста добре с непроводими обекти, но тяхната точност се влошава донякъде. Всеки обект, който се намира в близост до електрода, има свои собствени диелектрични свойства, които променят капацитета между електрода и тялото на сензора, което от своя страна води до изходен сигнал, пропорционален на разстоянието между обекта и детектора.

За да се увеличи чувствителността и да се намалят ръбовите ефекти, се използва активно екраниране в еднополюсен капацитивен сензор. В този случай екранът се поставя около неработещите страни на електрода и към него се подава напрежение, равно на напрежението на електрода. Тъй като напреженията на екрана и електрода имат еднакви амплитуди и фази, между тях няма електрическо поле и всички компоненти, разположени зад екрана, нямат ефект върху работата на сензора. Този метод на екраниране е илюстриран на фиг. 2.11.

Фиг.2.10. Капацитивен сензор с екраниращ пръстен, напречно сечение

ориз. 2.11. Капацитивен сензор, измерващ разстоянието до обект, с активен щит около електрода

През последните години мостовите капацитивни сензори за изместване станаха много популярни. На фиг. 2.12. показва линеен мостов капацитивен сензор за изместване, състоящ се от две групи плоски електроди, разположени успоредно на фиксирано разстояние d. За да се увеличи капацитетът, разстоянието между електродите е доста малко. Стационарната група електроди се състои от четири правоъгълни елемента, а подвижната група се състои от два. И шестте елемента имат еднакви размери.

За да увеличите диапазона на линейност, препоръчително е да направите размера на всеки елемент възможно най-голям (тук, като правило, започват да се отразяват ограниченията на механичната якост). Четирите електрода на стационарната подгрупа са кръстосано свързани помежду си с електрически проводници, което се прави, за да се образува капацитивна мостова верига.

Към мостовата верига се подава синусоидално напрежение с честота 5 - 50 kHz. Диференциален усилвател усилва разликата в напрежението между двойка електроди в движеща се група. Изходният сигнал на усилвателя се подава на входа на синхронния детектор. Капацитет на кондензатора. Капацитивен мостов тип сензор с две успоредни плочи: A - устройство за групово подреждане, B - еквивалентна схема на номиналното разстояние една от друга, пропорционална на площта на частта от подвижната плоча, разположена срещу съответната област на неподвижната плоча. На фиг. 2.12. Показана е еквивалентната схема на датчик за преместване с конфигурация на капацитивен мост. Капацитивните сензори за преместване имат широк спектър от приложения. Те могат да се използват както самостоятелно за определяне на положението и движението на обекти, така и да бъдат част от други сензори, в които движенията на отделните елементи се предизвикват от въздействието върху тях на различни сили, налягане, температура и др.

Фигура 2.12. Мостов капацитивен сензор.

3.3 Оптичен сензор (фотоелектрически сензор)

Фотосензорът е устройство, което регистрира и реагира на промени в интензитета на светлината.

Има аналогови и дискретни оптични сензори. При аналоговите сензори изходният сигнал варира пропорционално на околната светлина. Основната област на приложение са автоматизирани системи за управление на осветлението.

Дискретните сензори променят изходното състояние на противоположното, когато се достигне зададената стойност на осветеност.

След механичните контактни и потенциометричните сензори, оптичните детектори са може би най-популярните устройства за определяне на позицията и движението на обекти.

Оптичният сензор за движение обикновено включва три компонента: източник на светлина, фотодетектор и устройства за контрол на светлината (лещи, огледала, оптични влакна и др.).

ориз. 3.1. Оптично сензорно устройство.

Използвайки защитни щитове или охлаждане, оптичните сензори се използват за позициониране или преброяване на нагрети обекти

В съответствие с GOST R 50030.5.2 оптичните безконтактни превключватели се класифицират в три групи:

тип Т - с директно приемане на лъч от излъчвателя;

тип R - с приемане на лъча, върнат от рефлектора;

тип D - с приемане на лъч, дифузно отразен от обект.

Оптичен сензор от тип Т се характеризира с това, че излъчвателят и приемникът са разположени в отделни корпуси. Директният оптичен лъч преминава от излъчвателя към приемника и може да бъде блокиран от обекта на въздействие. Излъчвателят и приемникът могат да получават енергия от различни източници на енергия. Емитерният индикатор сигнализира захранващото напрежение. Индикаторът на приемника сигнализира, когато приемникът е активиран. Превключващият елемент се намира в приемника.

Оптичен сензор тип R има излъчвател и приемник, разположени в един корпус. Приемникът получава излъчващия лъч, отразен от специален рефлектор

Оптичен сензор тип D има излъчвател и приемник, разположени в един корпус. Приемникът получава лъч, разпръснат отразен от целта. Един обект може да се движи както по протежение на относителната ос, така и под ъгъл спрямо нея

3.3.1 Абсолютни цифрови сензори

Това са стелажи за линейни движения или дискове за ъглови движения, разделени на N равни области (ленти при стелаж, сектори при диск), върху които са записани двоични думи, съответстващи на определената позиция според код и специфична технология. Броят на подложките N определя разделителната способност, както следва: L/N cm за дължина L cm и 360°/N за диск.

Всички n бита, които съставляват всяка дума, се материализират на n паралелни (за багажник) или концентрични (за диск) писти (фиг.), като се използват две различни физически състояния, за да се определи стойността на 0 или 1:

а) немагнитизираща се или феромагнитна повърхност (магнитно отчитане);

б) изолираща или проводяща повърхност (електрически сензор);

в) непрозрачна и полупрозрачна повърхност (оптично отчитане).

В момента най-често се използва оптично четене; За всяка писта има източник - електролуминесцентен диод и приемник - фототранзистор.

ориз. 3.3. Стелаж и диск с естествен двоичен код.

ориз. 3.3. Рейк и диск с Грей код.

4. Сензори за близост

За сензори от този тип няма механична връзка между устройството и движещия се обект; взаимодействието между тях - функция на относителната им позиция - се установява чрез поле, което може да служи като:

магнитно индукционно поле за сензори с променливо магнитно съпротивление (използва се ефектът на Хол);

електромагнитно поле за сензори с токове на Фуко;

електромагнитно поле за капацитивни сензори.

Предимствата на сензорите за близост произтичат от факта, че тази механична връзка отсъства. Те включват:

широка честотна лента;

ниско въздействие върху измервателния обект поради изключително малките сили, възникващи между този обект и сензора.

Повишена надеждност поради липсата на движещи се части, подложени на износване или увеличени хлабини.

Освен това тези сензори осигуряват галванична изолация на измервателната верига и движещия се обект.

Основните им недостатъци са:

малък, около 1 mm, обхват на измерване;

нелинейност;

зависимостта на показанията на някои от тях от формата, размерите и материала на обекта и околната среда, което води до необходимостта от тяхното калибриране при специфични условия на употреба.

Сензорът за близост се използва в аналогов режим или в режим на цифров код. В първия случай амплитудата на сигнала е непрекъсната функция от относителната позиция на обекта и сензора, а във втория случай нивото на сигнала може да бъде само високо или ниско в зависимост от това дали обектът е по-близо или по-далеч от определено разстояние: в последния случай сензорът се нарича детектор за близост. При използване на сензора по този начин се определя следното:

номинален диапазон - разстоянието, на което стандартен обект се доближава до оста на сензора и предизвиква промяна в кодовите състояния на изхода на сензора;

диференциален или хистерезисен ход - разликата в разстоянията, съответстващи на промените в състоянията на кода в зависимост от това дали стандартен обект се приближава или отдалечава по оста на сензора.

Някои възможни приложения са показани на фиг. 4.1 те включват: измерване и стабилизиране на позицията;

контрол на размера;

изследване на движението на обекти с ниска инерция.

ориз. 4.1. Сензор за близост.

а - позиции; b - корекции; c - настройка по две координати; d - диаметър; d - надлъжни и напречни движения; e - дебелина на масления филм; g - дебелина на изолацията върху метал; h - дебелина на метала; и - размер; k, l - динамични движения, m - статични движения.

4.1 Индуктивен сензор с променливо магнитно съпротивление

Такъв сензор е трансформатор, чиято магнитна верига включва движещ се обект (фиг. 4.2); Този трансформатор трябва да бъде феромагнитен или да има феромагнитна повърхност.

ориз. 4.2. Сензор за близост с променливо магнитно съпротивление.

1 - магнитен екран; 2 - вторична намотка; 3 - феромагнитна повърхност; 4- първична намотка.

Разстоянието между обекта и сензорната глава, действащо като междина, определя съпротивлението на магнитната верига и следователно потока, преминаващ през вторичната намотка и напрежението на нейните клеми, когато първичната намотка е свързана към захранването. Напрежението на вторичната намотка, което е измервателният сигнал vm, се променя нелинейно според закона, записан във формата

където x е разстоянието на сензора от обекта, а vmo и a зависят по-специално от магнитната проницаемост, формата и размера на обекта.

Сигналът може да бъде линеаризиран за малки движения спрямо дадена позиция Do, ако два идентични сензора са свързани към противоположните страни на движещия се обект, свързани съгласно диференциална верига: първичните намотки се захранват последователно или паралелно, а вторичното захранване напреженията vm1 и vm2 са свързани срещу ток; измереното напрежение в този случай е равно на

4.2 Индуктивен сензор с токове на Фуко

Основният елемент на този тип сензор е намотка, захранвана с висока честота, която предизвиква променливо магнитно поле в пространството около себе си. Токове на Фуко възникват в метален предмет, поставен в тази зона. Според закона на Ленц те се стремят да компенсират причината, която ги е причинила; По този начин те предизвикват индукция с обратен знак на тази на бобината, което води до намаляване на нейния коефициент на самоиндукция. За разлика от сензорите с променливо съпротивление, които са подходящи само за феромагнитни обекти, сензорът за ток на Фуко е чувствителен към всеки метален предмет. Неговите показания обаче зависят не само от разстоянието до обекта, но и от неговите физически свойства (съпротивление, пропускливост) и геометрични характеристики (форма и размер). Обикновено обектът и сензорът се поставят във въздуха; Устройството може да се използва и в диелектрични среди, които се характеризират с ниски загуби при работни честоти.

ориз. 4.3. Индуктивно свързване между намотка и проводящ обект. Съответната опростена електрическа схема.

1 - обект; 2 - вълнуваща намотка.

Елементарна физическа теория. Опростена теория на работа на сензор от този тип може да се опише чрез оприличаване на метален обект на верига с групирани постоянни елементи, свързани към намотка чрез взаимна индукция (фиг. 4.3).

Бобината и нейният източник на захранване, образуващи първичната верига, се описват с уравнението

а обектът (вторична верига) - по уравнението

Влияние на свойствата на обекта. Съпротивление. Връзката с обекта оказва по-малко влияние върху първичната индуктивност, колкото по-високо е съпротивлението на обекта, т.е. толкова по-ниска е проводимостта на материала, от който е съставен. В този случай чувствителността на устройството може да се подобри чрез поставяне на високопроводим лист или покритие, като алуминий, върху движещия се обект.

Магнитна пропускливост. Ако феромагнитен обект се доближи до бобината, тогава в него ще се появят два противоположни ефекта: намаляването на съпротивлението на магнитната верига води до увеличаване на индуктивността, докато токовете на Фуко го намаляват. Получената посока на промяна на индуктивността зависи от съотношението на стойностите на пропускливостта и съпротивлението на обекта.

Размери. Предполага се, че почти целият набор от токове на Фуко е локализиран в повърхностния слой, чиято дебелина е приблизително три пъти по-голяма от кожния слой d, изразът за който има формата

където m и y са съответно магнитната проницаемост и електрическата проводимост на обекта, f е честотата на индуциращото поле на намотката. Така при честота от 1 MHz имаме d? 80 микрона за алуминий и d? 20 микрона за стомана.

Реакцията на сензора не зависи от дебелината на обекта, ако е повече от 3 пъти дебелината на слоя на кожата. Напречните размери на обекта също имат малък ефект, ако са по-големи от диаметъра на намотката.

Измервателна верига. Аналогов сензор. Обикновено втора индуктивност, разположена в съседното рамо на моста, е диференцирано свързана с измервателната индуктивност, за да се компенсират произволни влияния.

Втората индуктивност може да бъде:

еталонна индуктивност, разположена до фиксиран модел на обект от същото естество като движещия се обект (измереният сигнал в този случай е нелинейна функция на изместването);

променлива индуктивност, разположена спрямо обект по такъв начин, че движенията на този обект водят до противоположни промени в двете индуктивности (този диференциален метод на превключване прави възможно линеаризирането на характеристиката на сензора в рамките на ограничена зона на движение).

Детектор за близост. Когато е достатъчно да се знае за позицията на даден обект само дали разстоянието до обекта е по-голямо или по-малко от дадена стойност, индуктивността обикновено се поставя в резонансната верига на генератора. Приближаването на обект причинява увеличаване на загубите и намаляване на индуктивността, в резултат на което доброкачественият фактор Q на веригата на натоварване намалява. Под определена минимална стойност на Q, съответстваща на прага, генерирането спира; съответната верига открива това и сигнализира за наличие или липса на генериране.

4.3 Сензор за ефект на Хол

Ефектът на Хол се изразява в появата на потенциална разлика VH перпендикулярно на токовите линии на проводник, поставен в индукционното поле B; Напрежението на Хол VH зависи от посоката и големината на V. Ефектът на Хол е следствие от силата на Лаплас, която действа върху движещи се електрически заряди.

Сензор, базиран на ефекта на Хол, образува сонда под формата на плоча (обикновено полупроводникова), през която преминава ток и по краищата на която се измерва напрежението на Хол, и магнит, който създава индукционно поле B, чиято стойност в областта на сондата (като напрежението VH) зависи от позицията на магнита.

Един от елементите, сонда или магнит, е фиксиран, а другият е свързан с движещ се обект; Обикновено, за да се избегнат проблеми с електрическата комуникация с движещи се източници на сигнал с ниско ниво, сондата е фиксирана; в този случай, за да не се нарушава движението на обекта, масата на магнита трябва да е сравнително малка, което ограничава областта, в която индукцията е измерима, и по този начин намалява обхвата на измерване.

Елементарна физична теория на ефекта на Хол. Нека разгледаме проводяща правоъгълна плоча (дължина L, ширина l, дебелина e) с приложена към нея потенциална разлика V, предизвикваща ток I в надлъжна посока (фиг. 4.4).

ориз. 4.4. Принципна диаграма на сонда, базирана на ефекта на Хол.

Ако приемем, че проводимостта се осигурява от електрони с концентрация n и подвижност m, имаме:

Тук c е съпротивлението, c = 1/qмn (q = 1,6·10-19 C), V = ExL, Ex е надлъжното електрическо поле, откъдето I = qмnExel.

Плочата се поставя в индукционно поле B с нормална компонента към равнината на плочата BN; Силата на Лаплас FL, действаща върху електрон, движещ се със скорост v, е равна на FL = -qvB, където v = -mEx. Тази сила е насочена в посока на нарастване на y и има големината

Под действието на силата FL, електроните се натрупват върху страничната повърхност на плочата от страната на увеличаване на y, оставяйки същия заряд с противоположния знак на противоположната страна; тези заряди създават електрическо поле Ey, успоредно на оста y, насочено в посока на увеличаване на y и действащо върху всеки електрон със сила Fy = -qEy. Състояние на равновесие се постига, когато двете сили са балансирани:

Напрежението на Хол VH съответства на произведението от ширината на плочата:

или, като се вземе предвид намереният по-рано израз за ток I,

Тук KH = -1/qn е константата на Хол.

Една по-строга теория, която взема предвид разсейването на мобилните заряди от фонони, води до умножаване на предишния израз KH с 3p/8. Редът на големината за някои типични материали за сензори на Хол е даден в таблицата:

Числен пример. В плоча от индиев арсенид с дебелина 0,1 mm и съпротивление 5·10-5 Ohm·m, захранвана с ток от 1 mA и поставена в нормално индукционно поле от 104 G, възниква напрежение на Хол от 3,8 mV.

Константата на Хол зависи от температурата поради нейния ефект върху плътността на свободния носител; температурната чувствителност (1/KN) (d KN/dT) варира в зависимост от материала в широк диапазон и може да достигне няколко % за 1°C.

Промяна в CV като функция на стойност B може да доведе до отклонение от линейността от порядъка на няколко % от диапазона на измерване; знакът на тази нелинейност зависи от материала.

Дизайн на сензора. Измерваната величина, към която сензорът с ефект на Хол е пряко чувствителен, е нормалният компонент BN на магнитната индукция; съответната чувствителност е

Чувствителността е пропорционална на тока I, преминаващ през сондата; зависи от дизайна на сондата (дебелина e и избор на материал според коефициента KH).

Когато сензор се използва за откриване на позиции или движения, магнит, произвеждащ индукция, действа като междинен преобразувател, който се влияе от първичното измерено количество (позиция или движение), променяйки вторичното измерено количество, към което сензорът е пряко чувствителен. Чувствителността към позицията на Sx се дава от

Чувствителността към позицията на Sx е пропорционална, по-специално, на градиента на нормалния компонент на индукцията в областта на изместване. Този градиент зависи от природата на магнита и неговата позиция спрямо сондата; обикновено има значителна стойност и е повече или по-малко постоянна само в много ограничена област (от порядъка на 1 mm).

Критерий за избор на материал. Напрежението на Хол е пропорционално на тока I, но този ток е ограничен от нагряването на Джаул, което произвежда, което е пропорционално на разсейваната мощност Pd:

Във функцията Pd напрежението на Хол се изразява, както следва:

Ако измерването се извършва с устройство с голямо входно съпротивление и мощността на разсейване е настроена да осигурява нагряване в ограничени граници, има нужда да се избере материал, за който членът /n е максимален.

Например, ако измерването се отнася до мощността, доставена от генератора на Хол при съгласувано съпротивление, тогава максималната стойност трябва да бъде.

Детектор за близост. Реализира се чрез прикрепване на Schmitt тригер към сондата на Хол, която е компаратор на нивото на хистерезис, който позволява (BN+ и BN-) в зависимост от това дали се променя съответно нагоре или надолу (фиг. 4.5). Обикновено хистерезисът на DBN е от порядъка на няколко десетки mT и тъй като е по-висок от нормалните фонови индукции, той избягва фалшиви положителни резултати, които могат да бъдат причинени от тези индукции.

ориз. 4.5. Базиран на ефекта на Хол детектор на близост и характеризиране на взаимодействие.

5. Предимства и недостатъци на сензорите

5.1 Индуктивен сензор

Предимства

без механично износване, без повреди, свързани със състоянието на контактите

няма отскачане на контакт или фалшиви аларми

висока честота на превключване до 3000 Hz

устойчиви на механични натоварвания

Недостатъци - относително ниска чувствителност, зависимост на индуктивното съпротивление от честотата на захранващото напрежение, значително обратно влияние на сензора върху измерената стойност (поради привличането на котвата към сърцевината).

5.2 Капацитивен сензор

Предимствата на капацитивните сензори са простота, висока чувствителност и ниска инерция.

Недостатъци - влиянието на външни електрически полета, относителната сложност на измервателните устройства.

5.3 Оптичен сензор

Предимства - благодарение на големите разстояния на засичане (до 50 m), оптичните безконтактни сензори са намерили широко приложение в индустрията и извън нея.

5.4 Ултразвукови сензори

Позволяват безконтактно наблюдение на положението и размерите на различни обекти, независимо от оптичните и електрическите им свойства, и намират широко приложение в технологичното оборудване за измерване на нивото на запълване на резервоари с течности и насипни материали, следене на диаметъра на навиване на листа. материали и решаване на други проблеми. Специализирани ултразвукови сензори позволяват да се определи позицията на ръба и дебелината на прозрачни полимерни фолиа, тъкани и хартия.

Работата на ултразвуковите сензори се основава на пиезоелектричния ефект - промяна в геометричните размери на керамична или кварцова плоча, когато върху нея се прилага електрическо поле и появата на електрическо поле върху повърхностите на плочата при механични въздействия върху нея . Вибрациите на плочата с честотата на приложеното електрическо поле (300 kHz) предизвикват появата на звукови вълни със същата честота. Тези вълни се разпространяват във въздуха със скорост 330 m/sec. Те, като ехо, се отразяват от обектите и се връщат към излъчвателя. Въздействайки върху плочата, звуковите вълни предизвикват появата на електрическо поле върху нея. Така плочата работи първо като излъчвател, а след това като приемник на ултразвукови вълни. Обхватът на реакция на сензора се регулира чрез промяна на мощността на излъчване на тези вълни и периода от време, през който сензорът чака отражение.

5.5 Сензор за ефект на Хол

Възможност за измерване на позиция или движение чрез неферомагнитен щит, който отделя сондата от обекта, носещ магнита.

6. Приложение на сензори

Приложенията на сензорите за позиция и преместване в индустрията са разнообразни. По-специално в медицината безконтактни сензори могат да бъдат намерени в устройства като гама камера, флуорограф, ЯМР, ултразвук и литотриптер.

6.1 Индуктивни сензори

Индуктивните сензори се използват за получаване на безконтактна информация за движенията на работните органи на машини, механизми, роботи и др. и преобразуване на тази информация в електрически сигнал.

Инсталирани на CNC машини, преси, машини за леене под налягане, конвейерни линии, автоматични клапани, опаковъчни машини и др.

6.2 Капацитивни сензори

Капацитивните сензори се използват за измерване на ъглови движения, много малки линейни движения, вибрации, скорост и т.н., както и за възпроизвеждане на определени функции (хармонични, зъбни, правоъгълни и др.).

Капацитивните преобразуватели, чиято диелектрична константа e се променя поради движение, деформация или промени в състава на диелектрика, се използват като сензори за ниво на непроводими течности, насипни и прахообразни материали, дебелината на слой от непроводими материали , както и следене на влажността и състава на веществото.

6.3 Оптични сензори

Оптичните сензори се използват във всички индустрии за позициониране или преброяване на обекти.

Фотосензорите са повсеместни и се използват в ежедневието ни. Помагат за контролиране на процеса на отваряне и затваряне на гаражни врати, безконтактно включване и изключване на водата в мивката, управление на движението на ескалатор, отваряне на врати в супермаркет, фотофиниш.

6.4 Ултразвуков сензор

контрол на задръстването

сензор за присъствие

сензор за близост за роботика

контрол на изпразването на кутията

контрол на качеството на конвейера

контрол на наличността на тавата

контрол на скъсване на конец/тел и др.

контрол на пълненето

проверка на диаметъра на ролката

сензор за присъствие на хора

позициониране на автомобила (сензор за близост)

Заключение

В научната работа са разгледани основните типове безконтактни сензори, характеристиките и принципите на тяхната работа, както и обхватът на тяхното приложение.

Може да се обобщи, че безконтактните превключватели са основните устройства за автоматизация на процеси в различни индустрии, като напр.

машиностроене,

автомобилна индустрия,

нефтохимическа промишленост,

машинно инженерство,

хранително-вкусовата промишленост и др.

Такава широка гама от приложения на VB се дължи на големия брой възможни технологични решения, реализирани с тяхна помощ: преброяване на броя на обектите,

контрол на позицията на обекта,

регистрация на наличието или отсъствието на обект,

избор на обекти според техния размер, цвят и други физически свойства,

определяне на скоростта,

определяне на ъгъла на завъртане

и много повече

Предимства на безконтактните ключове:

висока надеждност;

еднозначна зависимост на изходната стойност от входната стойност;

стабилност на характеристиките във времето;

малък размер и тегло;

без обратен удар върху обекта;

работят при различни работни условия.

Референции

1. Списание “Съвременна електроника” № 6 2006 г

2. Уебсайт www.sensor-com.ru

3. Уебсайт www.datchikisensor.ru

4. Mil G. Електронно дистанционно управление на модели. - М.: 1980 г.

5. Пепел. Ж. и др. Сензори за измервателни системи - М.: 1992г.

6. Списание „Компоненти и технологии” № 1 2005 г., статия на Александър Криворученко „Безконтактни сензори за положение. Проблеми на подбора и практиката на приложение” 2005г

7. Уебсайт ru.wikipedia.org

Публикувано на Allbest.ru

...

Подобни документи

Конструкцията и принципът на работа на сензори за преместване от различни видове: капацитивни, оптични, индуктивни, вихрови токове, ултразвукови, магниторезистивни, магнитострикционни, потенциометрични, базирани на ефекта на Хол. Области на използване на устройствата.

резюме, добавено на 06/06/2015


Понятие и общи свойства на сензорите. Отчитане на работните характеристики на датчиците за скорост и ускорение. Характеристики на оптични, електрически, магнитни и радиационни методи за измерване. Анализ на реални оптични сензори, сензори за скорост на въртене и ускорение.

курсова работа, добавена на 14.01.2016 г


Принципът на ефекта на Фарадей в работата на фиброоптични сензори за ток. Разработване и изследване на микроструктурирани оптични влакна. Сравнение на оптичен сензор и токов трансформатор. Потенциални приложения на оптични сензори за ток.

резюме, добавено на 12.11.2015 г


Блокова схема, характеристики и режими на работа на микросхемата на преобразувателя на Angle-Code за обработка на сигнали от индуктивни сензори от типа SKVT (синус-косинусови въртящи се трансформатори). Сравнението му с чужди аналози и модули, базирани на тях.

статия, добавена на 28.01.2015 г


Определение на понятието термисторни сензори. Общи характеристики на резистивните температурни детектори. Изчисляване на коефициента на съпротивление (полупроводник или проводник), режими на работа на устройството. Разглеждане на начини за използване на термистори.

резюме, добавено на 01/12/2016


Фотоелектрични сензори за положение, характеристики, обхват на приложение, принцип на тяхното действие. Ултразвукови измервателни уреди с цифрови и аналогови изходи, техните предимства. Индуктивни сензори за положение и преместване, принцип на измерване, схема на свързване.

курсова работа, добавена на 25.04.2014 г


Сензорът е елемент на управляващо устройство, първичен преобразувател на контролирано количество в удобен сигнал: принцип на работа, схеми на свързване към микроконтролер (MK). Обща характеристика на капацитивни сензори със звуков индикатор, изчисляване на параметри.

курсова работа, добавена на 12/04/2011


Определяне на принципа на работа на капацитивен датчик за присъствие. Схеми за свързване на сензори за добавяне на контейнери към MK. Технически характеристики и устройство на електрическата верига на уреда със звуков индикатор. Приложение на охранителни детектори за ПИК помещения.

курсова работа, добавена на 23.09.2011 г


Проектиране на изчислителен модул, състоящ се от 2 сензора за налягане и 4 сензора за температура (до +125 и до +400). Изготвяне на схема за свързване на сензори. Писане на демонстрационни програми за работа с АЦП DS18B20, DS2450 и MPX2010.

курсова работа, добавена на 24.12.2010 г


Обща схема на капацитивен датчик за ниво. Радарни нивомери, области на тяхното приложение. Вертикален монтаж на сензори. Принцип на действие на въртящ се превключвател за ниво. Вибриращ сензор за ниво на пълнене. Методи за инсталиране на ротационни сензори.