Принцип на действие на индуктивните сензори за преместване
Предмет: Изследване на работата на сензори за линейни и ъглови премествания
Цел: Изследване на принципа на действие, проектиране и дизайн на сензори за линейни и ъглови премествания.
Упражнение:
1. Разгледайте принципите на работа и конструктивните схеми на сензорите линейно движение: капацитивен; оптичен; индуктивен; вихров ток; ултразвукови; магниторезистивен; потенциометричен.
2. Разгледайте принципите на работа и конструктивните схеми на сензорите за ъглово изместване: оптични; магнитен; магниторезистивен.
3. Направете заключение за работата.
Сензорът за преместване е устройство, предназначено да определя количеството на линейно или ъглово механично движение на обект.
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 сензор за линейно изместване с движещ се диелектрик.
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.
Друго изпълнение на оптичен сензор, предназначен да записва и характеризира малки движения и вибрации, използва структура 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, базиран на дифракционни решетки.
Допълнителни функцииОптичните сензори, които отчитат поляризацията на светлината, имат 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.
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).
Фигура 6. Индуктивен сензор за изместване за обекти, изработени от феромагнитни материали.
Сензори за вихрови токове на преместване
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.
Фигура 7. Сензор за изместване на вихров ток.
Ултразвукови сензори за преместване
Ултразвуковите сензори изпълняват принципа на радара - следователно ултразвуковите вълни, отразени от обект, се записват блокова схемаобикновено представляват 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 че този път в ултразвуковите дефектоскопи.
Фигура 8. Ултразвуков сензор за изместване.
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 схема, съдържащ 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.
Фигура 9. Магниторезистивни сензори за изместване.
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.
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. определете 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.
Фигура 10. Магнитострикционен сензор за изместване.
Потенциометрични сензори за преместване
Този тип сензор се основава на електрическа верига, съдържаща потенциометър (Фигура 11). Линейното движение на обект води до промяна в 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.
Фигура 11. Потенциометричен сензор за изместване.
Наред с механичните сензори за преместване, потенциометричните сензори са най-широко използвани поради тяхната простота и ниска цена, но за универсални, прецизни и безконтактни измервания напоследък все повече се използват сензори, базирани на оптични ефекти.
Контролер (сензор) на позицията на въртящ се обект или по друг начин енкодер- Това електромеханично устройство, с който можете да определите позицията на въртящата се ос (вал). IN това устройствомеханичното движение се преобразува в електрически сигнали, които определят позицията на обекта и предоставят информация за ъгъла на въртене на вала, неговата позиция и посока на въртене. Енкодерът може да се използва и за измерване на дължина и разстояние или за настройка на движението на инструмента.
Енкодерите имат широк спектър от приложения в печатарската индустрия, металообработката, елеваторната техника, машини за пълнене, машини за опаковане и пълнене, тестови стендове, както и в роботи и други машини, които изискват точно записване на движението на частите. Те почти напълно замениха широко разпространените преди това селсини.
Видове енкодери
Разграничават се следните видове енкодери: инкрементални (инкрементални) и абсолютни.
Търсене на пълен текст:
Начало > Резюме > Комуникации и комуникация
Министерство на образованието на Руската федерация
MATI - Руски държавен технологичен университет
тях. К. Е. Циолковски
Катедра: “Технология на производството
устройства и системи за управление
самолет"
Група: 3ASU-2DS-014R
Студент: Окунев A.E.
Учител: Морозов А.А.
Резюме по темата:
« Безконтактни сензори за положение »
Раменское
Въведение………………………………………………………………………................... 3
Основна част…………………………………………………….…………………….. 4
5
Безконтактни сензори за положение……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Индуктивни сензори…………………………………………………….8
Капацитивни сензори…………………………………………………….…..12
Сензор, обща информация………………………………………………………..…..4
Сензори за позиция………………………………………………………………..….
Оптични сензори………………………………………………………………..…18
Предимства и недостатъци на индуктивни, капацитивни, оптични сензори... .. 20
Приложение на индуктивни, капацитивни, оптични сензори………………………… 21…………………………………………………………………………..…. 22
Заключение……………………………………………………………………..23
Референции
Въведение.
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 предназначен за 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.
Тази изследователска работа представя информацията, получена от обработката на данни от 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.
Основна част.
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 от технически системи, предназначени за измерване, сигнализиране, регулиране, управление на устройства или процеси. Сензорите преобразуват контролираното количество (налягане, температура, поток, концентрация, честота, скорост, движение, напрежение, електрически ток и др.) в сигнал (електрически, оптичен, пневматичен), удобен за измерване, предаване, преобразуване, съхранение и запис информация за състоянието на обекта на измерване.
Исторически и логично сензорите се свързват с измервателната техника и измервателните уреди, например термометри, разходомери, барометри, индикатор за положение и др. Общият термин сензор се засили във връзка с развитието на автоматичните системи за управление, като елемент от обобщения логическа концепция сензор - управляващо устройство - изпълнителен механизъм - обект на управление. Специален случай е използването на сензори в автоматични системирегистриране на параметри, например, в системи за научни изследвания.
Дефиниции на сензора
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 става въпрос за пълно функционално устройство, свързано чрез някой от познатите интерфейси към система за автоматично управление или регистрация. Например фотодиоди в матрици (фото) и др.
В зависимост от вида на входната (измерената) величинаразличавам:
механични сензори за преместване (линейни и ъглови),
пневматичен,
електрически,
Разходомери,
Сензори за скорост,
ускорение,
Температури
налягане
Има три класа сензори:
Аналогови сензори, т.е. сензори, които произвеждат аналогов сигнал, пропорционален на промяната на входната стойност;
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 позволява да се определи този ъгъл.
Въз основа на вида на изхода, датчикът за положение (сензор за преместване) се разделя на аналогов, цифров и дискретен (превключватели).
2.1.Безконтактни сензори.
Безконтактните сензори и превключвателите за близост са устройства за индустриална автоматизация, предназначени да следят позицията на обекти.
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.2.1. Външен вид на безконтактен сензор
Безконтактният превключвател (наричан по-нататък VB) 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 WB осигурява висока надеждност на работата му
Фиг.2.2. Превключвател за близост
Опростено, функционалната схема на безконтактния превключвател се състои от три блока:
Фиг.2.3. Функционална схема на безконтактен ключ
Когато обектът на въздействие се приближи 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) във вериги с постоянен ток до 400 mA и във вериги с променлив ток до 250 mA.
Безконтактните сензори за положение се класифицират според принципа на работа на чувствителния елемент - индуктивни, оптични, капацитивнии т.н.
Безконтактните превключватели са основни устройства за автоматизация на процеси в различни индустрии, като напр
машиностроене,
автомобилна индустрия,
машинно инженерство,
хранително-вкусовата промишленост и др.
преброяване на броя на обектите,
контрол на позицията на обекта,
определяне на скоростта,
определяне на ъгъла на завъртане
и много повече.
2.1.1. Индуктивни сензори.
Индуктивният сензор е безконтактен сензор, предназначен за безконтактно получаване на информация за движенията на работните части 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.
Принцип на действиесе основава на промяна на параметрите на магнитното поле, създадено от индуктора вътре в сензора.
Принцип на действиебезконтактен краен изключвател (VC) се основава на промяна в амплитудата на трептенията на генератора, когато метал, магнитен, феромагнитен или аморфен материал с определен размер се въвежда в активната зона на сензора. Когато се подава захранване към крайния превключвател, в областта на неговата чувствителна повърхност се образува променящо се магнитно поле, предизвикващо вихрови токове в материала, внесен в зоната, което води до промяна в амплитудата на трептенията на генератора. В резултат на това се генерира аналогов изходен сигнал, чиято стойност варира в зависимост от разстоянието между сензора и контролирания обект. Тригерът преобразува аналоговия сигнал в логически сигнал, като задава нивото на превключване и стойността на хистерезиса
Структура
Индуктивните безконтактни превключватели се състоят от следните основни компоненти:
Фиг.2.4. Индуктивни превключващи устройства
1. Генераторът създава електромагнитно поле на взаимодействие с обекта.
2. Тригерът осигурява хистерезис при превключване и необходимата продължителност на фронтовете на управляващия сигнал.
3. Усилвателят увеличава амплитудата на сигнала до необходимата стойност.
4. LED индикаторът показва състоянието на превключвателя, осигурява наблюдение на производителността и бърза настройка.
5. Съединението осигурява необходимата степен на защита срещу проникване на твърди частици и вода.
6. Корпусът осигурява монтаж на превключвателя и го предпазва от механични въздействия. Изработени от месинг или полиамид, оборудвани с хардуерни продукти.
Основни определения.
1. Ядро
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. 2.5. Активна зона на сензора
2. Номинално разстояние на засичане
Фиг.2.6. 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.Работно разрешение
Работната междина е всяко разстояние, което осигурява надеждна работа на безконтактния превключвател в границите на допустимата температура и напрежение.
4. 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.2.7. Зависимост на напречния датчик за близост на изходния сигнал от разстоянието.
2.1.2. Капацитивни сензори.
Капацитивен сензор, измервателен преобразувател на неелектрически величини (ниво на течност, механични сили, налягане, влажност и др.) в стойности на електрически капацитет. Конструктивно капацитивен сензоре 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 разположението между плочите различни материали: електропроводим или диелектричен. 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:
C = e 0 дС/ d
Къде д 0 - диелектрична константа; д- относителна диелектрична проницаемост на средата между плочите; С- активна площ на плочите; d е разстоянието между плочите на кондензатора.
Зависимости В(С) И В(d) използвани 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
Капацитивен безконтактен сензорфункции, 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 се формира от два метални електрода, които могат да се представят като плочи на "разгънат" кондензатор (виж фигурата). Във веригата са включени електроди обратна връзкависокочестотен автоосцилатор, конфигуриран по такъв начин, че ако няма обект близо до активната повърхност, той не генерира. При доближаване до активната повърхност капацитивен сензор за близостобект навлиза 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. Капацитивни сензори за близостзадействани както от електропроводими предмети, така и от диелектрици. При излагане на обекти, направени 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 Sr спрямо 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 
Фигура 2.9 Зависимост на действителното разстояние на реакция Sr от диелектричната константа на материала на обекта er
Диелектрична проницаемост на някои материали: Материал - ер
Хартия............................................2,3
Омаслена хартия............4.0
Вода.....................................80
Въздух.....................................1.0
Дърво.....................................2-7
Керосин.....................................2.2
Мрамор.....................................8.0
Масло.....................................2.2
Етилов алкохол............................25.8
Стъкло.....................................5.0
Флуоропласт (тефлон) 2.0
Порцелан............................4.4
Шперплат............................................4.0
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. Фигура 3 показва принципна диаграма на еднополюсен капацитивен сензор, в който едната пластина 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 влияние върху работата на сензора. Този метод на екраниране е илюстриран на фиг. 3.1.
Фиг.3 Капацитивен сензор с екраниращ пръстен, напречно сечение
ориз. 3.1 Капацитивен сензор, измерващ разстояние до обект, с активен щит около електрода
IN последните годиниМостовите капацитивни сензори за изместване станаха много популярни. На фиг. 3.2. 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 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 сензор с две успоредни плочи: A - устройство за групово разположение, B - еквивалентна схема на разстояние една от друга, пропорционално на площта на частта от подвижната плоча, разположена срещу съответната площ на неподвижната плоча. На фиг. 3.2. 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 3.2. Мостов капацитивен сензор
КАПАЦИТИВНИ СЕНЗОРИ ЗА ПРИСЪСТВИЕ
ориз. 3.3. Детектор за капацитет за сигурност на автомобила Детектор за сигурност
ориз. 3.4. Времедиаграми на работа на капацитивен сензор
2.1.3. Оптичен сензор
Фотосензоре устройство, което регистрира и реагира на промените в интензитета на светлинния поток.
Разграничете аналоговИ дискретниоптични 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 зададена 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, които контролират светлината (лещи, огледала, оптични влакна и др.).
ориз. 3.5. Оптично сензорно устройство.
Използвайки защитни щитове или охлаждане, оптичните сензори се използват за позициониране или преброяване на нагрети обекти
Класификация на оптичните сензори
В съответствие с GOST R 50030.5.2 оптичните безконтактни превключватели се класифицират в три групи:
тип Т - с директно приемане на лъча от излъчвателя;
тип R - с приемане на лъча, върнат от рефлектора;
тип D - с приемане на лъч, дифузно отразен от обект.
Оптичен сензор тип Tхарактеризиращ се 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 Rима излъчвател и приемник, разположени в един корпус. Приемникът получава излъчващия лъч, отразен от специален рефлектор
Оптичен сензор тип Dима 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. Предимства и недостатъци на индуктивните, капацитивните, оптичните сензори.
3.1. Индуктивен сензор.
Предимства
Няма механично износване, няма повреди, свързани с контакта
Няма отскачане на контакт или фалшиви аларми
Висока честота на превключване до 3000 Hz
Устойчив 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).
3.2. Капацитивен сензор.
Предимства на капацитивните сензори- простота, висока чувствителности ниска инерция.
недостатъци- влияние на външни електрически полета, относителна сложност на измервателните устройства.
3.3. Оптичен сензор.
Предимства- благодарение на дългите разстояния на засичане (до 50 m) оптични сензори за близостса намерили широко приложение в индустрията и извън нея.
4. Използване на сензори.
4.1. 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.
4.2. 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.).
Капацитивни преобразуватели, диелектрична проницаемост дкоито се променят 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 (дебеломери), както и мониторинг на влажността и състава на веществото.
4.3. Оптични сензори.
Оптичните сензори се използват във всички индустрии за позициониране или преброяване на обекти.
Фотосензориса широко разпространени и използвани в ежедневието ни. Те помагат да се контролира процеса на отваряне и затваряне гаражни врати, безконтактно включване и изключване на водата в мивката, управление на движението на ескалатора, отваряне на врати в супермаркет, фотофиниш.
Заключение.
В научната работа са разгледани основните типове безконтактни сензори, характеристиките и принципите на тяхната работа, както и обхватът на тяхното приложение.
Капацитивните сензори бяха разгледани подробно.
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.
Такъв широк обхват на приложение 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 други
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;
работа при различни условияоперация:
Извършена е работа по събиране и обработка на научна и техническа информация. Резултатът от изследователската дейност е доклад за извършената работа под формата на презентация и обяснителна бележка
Референции.
Списание "Съвременна електроника" № 6 2006 г
Уебсайт www.sensor-com.ru
Уебсайт www.datchikisensor.ru
Мил Г. Електронен дистанционно управлениемодели. - М.: 1980 г.
www . електронна библиотека. ru
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 en.wikipedia.org
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 индуктивни сензоридвижение е, че няма директен електрически контакт между чувствителния елемент и трансформатора (комуникацията е чрез магнитно поле), което дава на потребителите абсолютни данни за движение, 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 сензора за преместване, осигурява възбуждане и преобразува сигнала за обратна връзка в 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 така, 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 изместване
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-доброто 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 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 в продължение на 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
- Контролни вентили – навсякъде, където има контролни клапани, индуктивните сензори за изместване могат да се използват за наблюдение 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, преобразувател измерва позицията на отклонение на клапата на самолетното крило, 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.