誘導変位センサーの動作原理。変位センサー

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序章

変位センサーは、物体の線形または角度の機械的変位の大きさを決定するように設計されたデバイスです。もちろん、そのようなデバイスは、さまざまな分野で非常に多くの実用的なアプリケーションを持っているため、動作、精度、価格、およびその他のパラメータの原理が異なる多くのクラスの変位センサーがあります。すべての変位センサーは2つの主要なカテゴリに分類できることにすぐに注意する必要があります-センサー線形運動および角変位センサー（エンコーダー）。

動作原理によれば、変位センサーは次のようになります。

容量性;

・光学;

・帰納的;

渦電流;

超音波;

・磁気抵抗;

・電位差測定;

磁歪;

ホール効果に基づいています。

1.静電容量式変位センサー

このタイプのセンサーの動作は、コンデンサの静電容量とその幾何学的構成の関係に基づいています。最も単純なケースでは、外部の物理的影響によるプレート間の距離の変化について話します（図1）。コンデンサの静電容量はプレート間のギャップの大きさに反比例するため、他の既知のパラメータで静電容量を決定することにより、プレート間の距離を判断することができます。静電容量の変化はさまざまな方法で修正できますが（たとえば、インピーダンスを測定することによって）、いずれの場合も、コンデンサを電気回路に含める必要があります。

図1-可変ギャップの静電容量式線形変位センサー

出力パラメータがである別のスキーム電気容量は、移動する誘電体を備えたコンデンサを含む回路です（図2）。コンデンサのプレート間で誘電体プレートを移動すると、その静電容量も変化します。プレートは、対象の物体に機械的に接続することができ、その場合、静電容量の変化は、物体の動きを示している。さらに、オブジェクト自体が誘電体の特性を持ち、適切な寸法を持っている場合、コンデンサの誘電体媒体として直接使用できます。

図2-移動する誘電体を備えた静電容量式線形変位センサー

静電容量センサーの可能なアプリケーションは非常に多様です。これらは、ほぼすべての業界の制御およびプロセス制御システムで使用されています。容量センサーは、自動ライン、コンベヤー、ロボット、マシニングセンター、工作機械、信号システム、さまざまなメカニズムの配置などのリミットスイッチとして、液体、粉末、または粒状物質によるタンクの充填を制御するために使用されます。

現在、近接（プレゼンス）センサーが最も広く使用されており、信頼性に加えて、さまざまな利点があります。比較的低コストである近接センサーは、すべての業界でのアプリケーションの幅広い方向をカバーします。このタイプの静電容量センサーの一般的なアプリケーションは次のとおりです。

1）プラスチックまたはガラス製の容器の充填を合図する。

2）透明パッケージの充填レベルの制御。

3）巻線断線警報;

4）ベルト張力調整;

5）あらゆる種類の個数など。

容量性線形および角変位センサーは、さまざまな測定システムで、機械工学、輸送、建設、エネルギーで広く使用されている最も一般的なデバイスです。

近年広く産業で使用されるようになった比較的新しいデバイスは、センサーの傾斜角に比例した電気出力信号を備えた小型の静電容量式傾斜計です。傾斜計の次の応用分野は、主なものと見なすことができます：プラットフォームレベリングシステムでの使用、さまざまなサポートとビームのたわみと変形の大きさの決定、自動車の傾斜角度の制御、鉄道建設、修理、操作中、車、船、水中ロボット、リフトとクレーン、掘削機、農業機械のロールの決定、さまざまな種類の回転物体の角変位の決定-シャフト、ホイール、静止しているギア機構移動するオブジェクト。

静電容量式レベルセンサーは、食品、製薬、化学、および石油精製業界の生産プロセスを監視、規制、および管理するためのシステムで使用されます。それらは、液体、バルク材料、パルプ、粘性物質（導電性および非導電性）を扱う場合、および凝縮、ほこりの状態で効果的です。

静電容量センサーは、絶対圧とゲージ圧、誘電体の厚さ、空気の湿度、変形、角加速度と線形加速度などを測定するために、さまざまな業界でも使用されています。

静電容量センサーには、他のタイプのセンサーに比べて多くの利点があります。それらの利点は次のとおりです。製造の容易さ、製造のための安価な材料の使用。 -小さい寸法と重量; -低エネルギー消費; - 高感度; 連絡先の欠如（場合によっては、現在のコレクションが1つ）。長い耐用年数; 静電容量センサーの可動部分を動かすための非常に小さな努力の必要性。センサーの形状をさまざまなタスクや設計に簡単に適合させることができます。

静電容量センサーの欠点は次のとおりです。比較的小さな伝達係数（変換）。シールド部品に対する高い要件。増加した（50 Hzと比較して）周波数で作業する必要性。

ただし、ほとんどの場合、センサーの設計により十分なシールドを実現することが可能であり、実際には、静電容量センサーが良い結果広く使用されている400Hzの周波数で。コンデンサに固有のエッジ効果は、プレート間の距離が検討中の表面の直線寸法に匹敵する場合にのみ重要になります。この影響は、保護リングを使用することである程度解消できます。これにより、実際に測定に使用されるプレート表面の境界を超えて影響を移動させることができます。

2.光学式変位センサー

さまざまな光学効果に基づいて、変位センサー回路には多くのバリエーションがあります。おそらく最も人気のあるのは、光学三角測量方式です。位置センサーは、実際には、対象のオブジェクトまでの距離を決定し、オブジェクトの表面によって散乱された放射を固定し、反射の角度を決定する距離計です。長さd-オブジェクトまでの距離を決定することが可能です（図3）。ほとんどの光学センサーの重要な利点は、非接触測定を実行できることです。さらに、このようなセンサーは通常、非常に正確で高速です。

図3-光学三角測量スキームに基づく光学変位センサー

小さな変位と振動のパラメータを登録および決定するように設計された光学センサーの別の実装では、光源と光検出器だけでなく、二重格子構造が使用されます（図4）。 1つのグレーティングは固定され、2つ目は移動可能であり、対象のオブジェクトに機械的に固定するか、何らかの方法でその動きをセンサーに伝達することができます。可動格子のわずかな変位は、光検出器によって記録される光強度の変化につながり、格子周期の減少とともに、センサーの精度は向上しますが、そのダイナミックレンジは狭くなります。

図4-回折格子に基づく光学変位センサー

光の偏光を考慮した光学センサーには、追加の用途があります。このようなセンサーでは、表面の反射特性に従ってオブジェクトを選択するためのアルゴリズムを実装できます。センサーは、反射率の良いオブジェクトにのみ「注意を払う」ことができ、他のオブジェクトは無視されます。もちろん、分極に対する感度は、そのようなデバイスのコストに悪影響を及ぼします。

光学式距離計は、センサーと影響対象物との間に機械的な接触がないため、一種の非接触センサーです。デバイスのこのプロパティはそれらを引き起こします積極的な使用自動制御システムで。それらの範囲は、他のタイプの近接センサーよりもはるかに広いです。

光学センサーは、オブジェクトの数、エチケットの存在、碑文、ステッカー、ラベル、オブジェクトの表面での並べ替えと配置を決定するために広く使用されています。

光学式距離計を使用すると、距離を制御でき、デバイスにインストールされますリモコンおよびその他の自動システム。

3.誘導変位センサー

このタイプのセンサーの１つの構成では、感知要素は可動コア変圧器である。外部物体の動きによりコアが動き、トランスの一次巻線と二次巻線の間の磁束リンケージが変化します（図5）。二次巻線の信号の振幅は磁束リンケージに依存するため、二次巻線の振幅の大きさを使用して、コアの位置、したがって外部オブジェクトの位置を判断できます。

図5-変圧器の誘導変位センサー

別の構成にはさらに多くの機能があります簡単な回路ただし、強磁性体で構成されるオブジェクトの小さな動きや振動を測定する必要がある少数のアプリケーションにのみ適しています。このスキームでは、対象の強磁性体が磁気回路の役割を果たし、その位置が測定コイルのインダクタンスに影響を与えます（図6）。

強磁性体で作られた物体用の誘導変位センサーのスキーム

図6-強磁性体で作られたオブジェクトの誘導変位センサー

4.渦電流変位センサー

このタイプのセンサーにはジェネレーターが含まれています磁場そして、二次磁場の誘導の大きさが決定される助けを借りて、レジストラ。対象のオブジェクトの近くで、ジェネレータは磁場を生成します。磁場は、オブジェクトの材料を貫通して、そのボリュームに渦電流（Foucault電流）を生成し、次に、二次磁場を生成します（図7）。二次磁場のパラメータはレジストラによって決定され、それらに基づいてオブジェクトまでの距離が計算されます。オブジェクトに近づくほど、磁束がそのボリュームに浸透し、渦電流と誘導が増加するためです。二次磁場。同様の原理が渦電流欠陥検出器でも使用されますが、二次磁場のパラメータは、物体までの距離ではなく、その内部構造に隠れた欠陥が存在することによって影響を受けます。この方法は非接触ですが、金属体にのみ使用できます。

最初の距離センサーは、オン/オフ信号の形で、デバイスの前にある物体の存在または存在に関する情報のみを提供しました。これらのシンプルなマークセンサーは、今日でもさまざまな業界で使用されています。

一方、技術プロセスの自動化というより複雑なタスクを解決するには、測定オブジェクトの位置に関する追加情報が必要です。この目的のために、信号が物体までの距離に比例するアナログ出力を使用して、調査中の物体までの距離とその位置を決定できるマークセンサーが開発されました。このようなセンサーは、センタリングしながら傾斜、直径、厚さを測定するのに役立ちます。

誘導距離計は、真ちゅう、アルミニウム、鋼などの導電性金属物体までの距離を測定します。このようなセンサーの動作原理は相互誘導電流の決定に基づいているため、このタイプのセンサーは非金属干渉や物体の影響に対して非常に耐性があります。

図7-渦電流変位センサー

渦電流変換器（渦電流センサー）は、導電性物体の変位振動と回転周波数を非接触で測定するために設計されています。それらは、産業用タービン、コンプレッサー、電気モーターの状態を診断するために使用されます。最も一般的な制御対象は、ハウジングに対するローターシャフトの軸方向変位と半径方向振動です。

渦電流変換器を使用するための優先分野は、すべり軸受を使用する大型タービン、コンプレッサー、および電気モーターのシャフトの軸方向変位と横方向振れを制御することです。これらの目的で速度センサーと加速度センサーを使用することは許容できますが、低速でのローターとサポートの振動変位の比例係数が減少するため、不当です（3 .. .. 10倍）設備の巨大なボディによるローター振動の弱体化、結果は大きな誤差を持ちます。それどころか、渦電流法は、それが持っていないだけでなく、非常に正確です。下限周波数は異なりますが、出力信号がハウジングに対するシャフトまたは測定カラーの電流変位に直接対応するため、測定結果を数学的に処理する必要もありません。

転がり軸受が使用され、ハウジングの質量が比較的小さい小型のタービン、発電機、およびコンプレッサーでは、シャフトの振動を測定するために、メカニズムのハウジングに配置された速度および加速度センサーを使用することをお勧めします。

5.超音波変位センサー

レーダーの原理は超音波センサーに実装されています。オブジェクトから反射された超音波が記録されるため、ブロック図は通常、超音波源とレコーダー（図8）で表され、通常はコンパクトなケースに収められています。超音波パルスを送信する瞬間と受信する瞬間の間の時間遅延を決定することにより、最大10分の1ミリメートルの精度で物体までの距離を測定することが可能になります。今日、光学センサーとともに、超音波センサーはおそらく最も用途が広く、技術的に進歩した非接触測定器です。この測定原理の使用は、欠陥検出器で再び見られますが、今回は超音波欠陥検出器でのみ見られます。

超音波変位センサーのスキーム

図8-超音波変位センサー

6.磁気抵抗変位センサー

磁気抵抗変位センサーでは、依存関係が使用されます電気抵抗外部磁場の誘導の方向と大きさに関する磁気抵抗プレート。センサーは、原則として、永久磁石と、ブリッジ回路とソースに接続された磁気抵抗プレートを含む電気回路で構成されています。定電圧（図9）。磁場中を移動する強磁性体からなる対象物は、その構成を変化させ、その結果、プレートの抵抗が変化し、ブリッジ回路は不一致を記録し、その大きさを判断に使用できます。オブジェクトの位置。

超音波センサーは、固体、液体、粒状、粉末状の物体を検出できます。

表面粗さが0.15mmを超える物体には、表面をセンサー自体に正確に向ける必要がないという利点がありますが、その場合、動作範囲が狭くなります。

オブジェクトの色は、検出距離に影響を与えません。また、ガラス製またはプレキシガラス製の透明な物体が確実に検出されます。物体の温度は動作範囲に影響します。高温の表面は低温の表面よりも音を反射しません。

液体の表面は、固体の滑らかな物体のような音を反射します。センサーの正しい向きに注意してください。布、発泡プラスチック、脱脂綿などが音を吸収します。したがって、動作範囲は狭くなります。

図9-磁気抵抗変位センサー

ブリッジ回路では、ブリッジの対角要素の1つのペアに、+45°の角度で配置されたシャントストリップが含まれています。ストリップの軸に対して、もう一方のペアは-45°の角度で。フィールドの影響下での抵抗の1つのペアの抵抗の増加は、2番目のペアの等しい減少に対応します。結果として得られる差動信号は、その平面内のストリップ軸に垂直な外部磁場の振幅の線形関数です。

センサーの感度を上げるために、アルミニウムジャンパーを備えたブリッジの各アームは、ラビリンスのように基板上に平行に配向されたいくつかの磁気抵抗膜から形成されています。

したがって、ギザギザバンドブリッジセンサーは、速度、角度、電流などの多くの測定に推奨され、弱い電界の測定にも適しています。このようなコンバータの利点は、高感度、直線性、フィールドの方向を決定する機能です。

速度、位置、電流の測定タスクにおける磁気抵抗センサーの競合相手はホールセンサーです。これらのセンサーを比較すると、磁気抵抗センサーにはいくつかの利点があります。

1）ホール効果のように、磁場の大きさの代わりに磁場の方向が作用します-残留磁化に関係なく（ただし飽和磁場値内で）、測定用の磁石の幅広い選択肢。

2）センサーの電界強度の飽和ゾーンでの動作は、時間内および温度の影響下での磁気ドリフトからの独立を意味します。機械的公差（磁石とセンサー間の距離）からの独立性。角度測定におけるアークタンジェント関数の計算による温度効果からの独立性。

3）ブリッジ磁気抵抗器の小さな変位。

4）補償後の磁気抵抗ブリッジセンサーは温度安定性があり、広い範囲（-40…160？С）を持っています。

これらの利点は、汚染の増加、温度変化、機械的振動の増加を特徴とする過酷な動作条件下での自動車用途で特に役立ちます。高感度ホール効果が通常適用されないナビゲーションシステムの弱いフィールドを測定するためにこれらのセンサーの使用を可能にします。

7.ホール効果に基づくセンサー

このタイプのセンサーは、磁気抵抗センサーと同様の設計ですが、その動作はホール効果に基づいています。外部磁場の影響を受ける導体に電流が流れると、電位差が発生します。の断面導体。

ホールセンサーは、機械工学、自動車用電子機器、航空など、現代の産業のさまざまな分野で広く使用されています。機械的および光学的システムとは異なり、ホールセンサーには重要な利点があります。機械的な影響やパラメーターの変化に影響されません。環境完成したソリューションのコストを最小限に抑えながら。最も普及しているのは、いわゆるキーホールセンサーです。そのようなセンサーは、磁場の強さが特定の値を超えると、その出力が論理状態を変化させます。ただし、ホール素子を備えた別のクラスの集積回路があり、これにより範囲が大幅に拡大する可能性があります。いわゆるリニアホールセンサーについて話しています。リニアホールセンサーの応用分野の中で、最も一般的な2つを区別することができます。これらは、線形または角変位を測定し、電流を測定するためのデバイスです。ほとんどの場合、オブジェクトの動きを測定するには、線形センサー永久磁石と一緒にホール。これは、最大の直線性を維持するために、センサーと移動物体の基準点との間の距離を変更するときに、磁場に大きな変化を与える必要があるという事実によるものです。線形依存性と測定電流からの分離により、線形電流センサーはモーター制御に理想的な回路になります。ホールセンサーの集積回路の出力は導体の電流に比例し、出力線形信号は測定された電流の波形を正確に再現します。線形電流センサーは、流れる電流によって生成される磁場の大きさを決定しますが、電流自体は決定しないことに注意してください。ホールセンサーの出力の電圧の形状は、測定された電流の形状に対応しています。この設計はセンサーの絶縁を提供し、高電流または高電圧での通常の動作を保証します。さらに、電流センサーは最大値に近い値の範囲で使用する必要があることを覚えておく必要があります。これにより、ノイズの影響が軽減されます。

8.磁歪変位センサー

原則として、磁歪センサーは拡張チャネル、つまり導波管であり、それに沿って永久リング磁石が自由に動くことができます。導波管の内部には、電気インパルスが導波管に加えられたときに、その全長に沿って磁場を生成できる導体があります（図10）。結果として生じる磁場は永久磁石の磁場に追加され、結果として生じる磁場は、導波管を含むチャネルの回転モーメントを作成します（ワイデマン効果）。回転パルスは、チャネル材料の音速でチャネルに沿って両方向に伝播します。電気インパルスの送信と回転インパルスの受信の間の時間遅延の登録は、永久磁石までの距離を決定することを可能にします。その位置を決定します。チャンネルはかなり持っているかもしれません長い（数メートルまで）、磁石の位置は数マイクロメートルの精度で決定することができます。磁歪センサーは、優れた再現性、分解能、悪条件に対する耐性、および温度変化に対する低い感度を備えています。

磁歪変位センサーの図

図10.磁歪変位センサー。

磁歪（磁化中の結晶体のサイズと形状の変化）は、磁場中の結晶格子のエネルギー状態の変化によって引き起こされ、その結果、格子ノード間の距離が変化します。最高値磁歪は、粒子の磁気相互作用が特に強いフェロトマグネトとフェリトマグネトに到達します。

磁歪トランスデューサは、磁場エネルギーを機械的（音波または超音波）エネルギーに変換します。それらの作用は、磁気弾性効果に基づいています。いくつかの金属（鉄、ニッケル、コバルト）とそれらの合金が磁場で変形するという事実について。フェライト（酸化鉄とニッケル、銅、コバルト、その他の金属の酸化物との混合物から焼結された材料）も、顕著な磁気弾性特性を持っています。磁気弾性ロッドが交流磁場に沿って配置されている場合、このロッドは交互に短くなり、長くなります。交流磁場の周波数とその誘導に比例する振幅で機械的振動を経験します。トランスデューサーの振動は、トランスデューサーが接触している固体または液体の媒体、同じ周波数の超音波で励起されます。通常、このようなコンバーターは、エネルギーをある形式から別の形式に変換する最も効率的な方法であるため、独自の機械的振動周波数で動作します。板金磁歪トランスデューサは、20〜50 kHzの低周波超音波範囲で最適に機能し、100kHzを超えると効率が非常に低くなります。

実際には、2種類の磁歪トランスデューサが使用されます。磁性合金またはフェライトで作られた棒と輪です。金属合金は、強度特性が高いため、強力な磁歪トランスデューサの製造に使用されます。ただし、合金の高い電気伝導率は、磁化反転による損失に加えて、マクロ渦電流またはフーコー電流による重大な損失を引き起こします。したがって、コンバーターは、厚さ（0.1 h 0.2）mmのプレートのパッケージの形で作られています。重大な損失は、そのようなコンバーターの比較的低い効率（40％h 50％）と水冷の必要性を決定します。フェライトコンバータは、電気抵抗が高く、フーコー電流による損失がないため、効率が高くなります（70％）が、機械的強度が低いため、電力特性が非常に制限されます。

20年間、世界中で磁歪効果に基づく線形変位センサー（または線形位置センサー、センサー、パスメーターとも呼ばれます）が使用されてきました。

9.電位差変位センサー

このタイプのセンサーには、基本的にポテンショメーターを含む電気回路があります（図11）。物体の直線運動は、ポテンショメータ（可変抵抗器）の抵抗の変化につながります。直流がポテンショメータを通過する場合、その両端の電圧降下は抵抗値に比例し、その結果、対象のオブジェクトの線形変位の大きさに比例します。

電位差変位センサーのスキーム

図11.電位差変位センサー。

電位差センサーは可変抵抗器、供給電圧が印加される場合、その入力値は集電流接点の線形または角変位であり、出力値はこの接点から取得される電圧であり、その位置が変化すると大きさが変化します。

抵抗の作り方に応じて、電位差センサーは次のように分けられます。

ラメラと一定の抵抗;

連続巻線のワイヤー;

抵抗層付き。

ラメラ電位差センサーは、特定の設計上の欠陥のため、比較的粗い測定に使用されてきました。

これらのセンサーでは固定抵抗器、特別な方法で額面価格で選択され、ラメラにはんだ付けされます。

ラメラは、導電性要素と非導電性要素が交互に配置された構造であり、それに沿って集電流接点がスライドします（図11）。集電体が1つの導電性要素から別の導電性要素に移動すると、それに接続されている抵抗の合計抵抗は、1つの抵抗の値に対応する値だけ変化します。抵抗の変化は広範囲にわたって発生する可能性があります。測定誤差は、パッドのサイズによって決まります。

図11ラメラ電位差センサー

巻線型電位差センサーは、より正確な測定用に設計されています。原則として、それらの設計は、ゲチナック、テキスタイルライト、またはセラミックで作られたフレームであり、その上に細いワイヤーがコイルからコイルへと1層に巻かれ、その上で集電装置がスライドします。

線径は、電位差センサーの精度クラスを決定します（高-0.03-0.1 mm、低0.1-0.4mm）。ワイヤー材料：マンガニン、フェクラル、貴金属合金。集電体は、ワイヤーの擦れを防ぐために、より柔らかい素材で作られています。

電位差センサーの利点：設計の単純さ。小さな寸法と重量; 静的特性の高度な線形性。パフォーマンスの安定性; 交流および直流に取り組む能力。

電位差センサーの欠点：すべり接触の存在。これは、接触トラックの酸化、回転の擦れ、またはスライダーの曲がりによる故障を引き起こす可能性があります。負荷による作業のエラー。比較的小さい換算係数。感度の高いしきい値。ノイズの存在; パルス放電の作用下での放電加工に対する感受性。

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LVDT（線形可変差動変圧器）という用語自体は、可変透過係数を持つ線形差動変圧器を意味します。

LVDTテクノロジーでのセンサーの動作原理を検討してください。

一次エキサイティングな巻線
二次巻線1
二次巻線2
二次巻線の合計から得られる信号

原則として、出力電圧と出力電流の2つの動作方式があります。

出力電流（4-20mA）での作業スキーム

変位測定自体のプロセスをより詳細に考えてみましょう。

LVDT変位センサーは、3つの変圧器巻線（1つは1次、2つは2次）で構成されています。一次巻線と2つの二次巻線の間の電流伝達の程度は、可動磁気コアであるロッドの位置によって決まります。トランスの二次巻線は逆位相で接続されています。

ロッドがトランスの中央にある場合、2つの2次巻線の電圧は振幅が等しく、位相がずれて接続されているため、合計出力電圧はゼロになります。動きはありません。

ロッドが中間位置からいずれかの方向に移動すると、一方の2次巻線の電圧が増加し、もう一方の巻線が減少します。その結果、合計電圧はゼロにはなりません。センサーはロッドの変位を記録します。

励起信号の位相と比較した信号の出力位相の比率により、電子機器は、巻線のどの部分にステムが現在配置されているかを理解することができます。

誘導変位センサーの動作原理の主な特徴は、検出素子と変圧器の間に直接の電気的接触がないことです（通信は磁場を介して行われます）。これにより、ユーザーに絶対的な動きのデータ、理論的には無限の分解能精度、および非常に長いセンサー寿命。

出力電流を使用した作業スキームの特徴-発振器/復調回路はモーションセンサー自体に組み込まれており、4〜20 mAの出力電流で給電されるため、外部の信号調整装置は必要ありません。

出力電圧での作業スキームの特徴-変位センサーに組み込まれたジェネレーター/復調器回路は、励起を提供し、信号を変換しますフィードバック緊張している直流。また、信号調整のための外部機器も必要ありません。

出力信号を測定する機能。
1）出力電圧が非位相敏感（rms）電圧計で測定される場合、センサー変圧器の中心位置からの任意の方向のステム偏差は、出力電圧の増加に対応します。

曲線は水平軸に接触しないことに注意してください。これは、残留出力電圧によるものです。

2）位相敏感復調を使用する場合、出力信号を使用して、変圧器のどの部分にロッドが現在配置されているかを判断できます。

位相に敏感な復調は、信号を整形するために常に使用されます。これにより、出力信号に対する残留出力電圧の影響が排除され、ユーザーは変圧器のステムの位置を知ることができます。

一般的なLVDTセンサーの機械的範囲外の出力曲線を検討すると、範囲の端で曲線が曲がっていることがわかります。これは、機械的範囲が作業の線形領域よりもはるかに広いことを意味します。

センサーを校正するときは、電気的ゼロ点を基準として使用し、センサーを電気的ゼロ位置の周囲±FS（全範囲）内で使用することが重要です。

キャリブレーションがゼロボルトポイントに基づいていない場合、全範囲位置の1つが線形範囲外になるため、線形性エラーが発生する可能性があります。

誘導変位センサーの種類

ケース本体とは別のアーマチュアを備えた非結合トランスデューサ。センサーの部品は、アーマチュアがハウジングのインナーチューブに触れないように取り付ける必要があります。これにより、センサーの敏感な要素を動かすときに摩擦がまったくなくなるようにすることができます。

インナーチューブに沿ってアーマチュア（ステム）をガイドするテフロンベアリングを備えたモノリシックトランスデューサ。

アーマチュア（ステム）を押し出すリターンスプリングを備えたモノリシックトランスデューサ。

典型的なLVDT誘導変位センサーの内部構造

LVDT誘導変位センサーの利点

1.線形ポテンショメータ（POTS）に対する利点。

本体と内部部品は検出素子と接触していないため、ステムの移動中に摩耗が発生しません。 POTSセンサーは検知要素と接触しており、特に振動にさらされるとすぐに摩耗する可能性があります。
湿気とほこりの保護は、必要なレベルで簡単に実現できます。LVDTセンサーの標準バージョンでさえ、通常、より優れたレベルの保護を備えています。外部からの影響 POTSより。
スライディングランナーが振動すると導体との接触を断つ可能性があるPOTSとは異なり、振動は信号損失に影響を与えません。

2.磁歪センサーに対する利点。

3.エンコーダー（位置センサー）に対する利点。

それらは最高のアナログ周波数応答を持っています。
彼らはより強い体を持っています。
電源を入れた直後は、既知の位置への一定の参照を示す必要があるエンコーダとは対照的に、ステムの位置を「認識」します。

4.可変抵抗ベクトルトランスデューサ（VRVT）に対する利点

彼らはより小さな体の直径を持っています。
より耐久性があり、摩耗しません。
ずっと長く使用できます。

5.線形静電容量センサーに対する利点

LVDTセンサーは一般的に安価です。
外部の動作条件の影響を受けにくい。
大幅に耐久性があります。

LVDT誘導変位センサーの機能

最大作業温度 600°C。
最低動作温度-220°C（参考までに、液体窒素温度-196°C、液体ヘリウム温度-269°C）。
100,000ラドの放射線レベルで動作できます。
200バールの圧力で作業できます。
彼らは水中で働くことができますが、水はセンサーを傷つけることなくセンサーの中に入ることができます。それらなしでできる水中センサーの特別なシリーズがあります。水中で10年間の検査作業、深さ2.2kmまでの水中での作業。ケーブルコネクタは水中で接続することもできます。

LVDTセンサーの主な用途

産業用測定システム

コントロールバルブ-コントロールバルブが存在する場所誘導センサー動きは、バルブステムの位置を制御するために使用できます。特に、発電所のタービン用蒸気弁など、重要な作業領域がある場合。
ロック位置の監視-液浸変位センサーは、上下水道システムのロックの位置を測定するのに適しています。
ロール間のギャップを測定します。
圧延製品の厚さを均一に保つために、ロールギャップは両端で測定されることがよくあります。
水中の石油/ガスパイプラインのバルブステムの動きの制御。
油圧式アクティベーターの動作の制御-アクティベーターを動かす物体の動きの測定。非常に高い耐摩耗性により、これらのLVDT変位センサーは数百万回の変位サイクルに耐えることができます。
圧延材を切断する切削工具の位置/動きの制御。
スタンピング前にストリップをまっすぐにするために使用されるローラーの位置/変位を測定します。
製品ロールの寸法（直径）を動的に測定するために使用できます。たとえば、材料の巻き取り/巻き戻し中にロールが最大/最小サイズに達したときに制御システムへの信号をトリガーします。

工作機械

真円度、平坦度などを測定するためのテストフィクスチャで使用できます。それらの製造の品質を分析するための機械部品。
これらは、パーツの相対位置の寸法の位置合わせ/フィッティングが必要な場合に、アセンブリ内のパーツのコンポーネントの相対位置を評価および制御するために使用できます。

航空/宇宙工学

アクティベーターのアクションに対するドライブの応答を評価するために使用できます。たとえば、トランスデューサは、航空機の翼フラップのたわみ位置を次の場所で測定します。メンテナンス。ここでは、制御信号が適用された後のアクティベータの作動速度、およびフラップの位置の変化率を測定することが非常に重要です。
ヘリコプターのローター分析
LVDTセンサーは、ローターブレードの角度を測定するためにヘリコプターで使用されます。
加熱時のエンジンハウジングの排気量を評価するために使用できます。
これらは、外部の影響下でのタービンブレードの変位（変形）を測定するために使用できます。
ジェットエンジンのノズルダイアフラムのたわみを測定するために使用できます。
に使用できます

建物や構造物の建設/設計

交通量の変化や突風の変化に伴う橋の振動や変形を測定するために使用できます。
建設中の地盤変位の測定、地滑りやフィルダムの制御に使用できます。
これらは、大きな建物の構造、梁、橋のスパンなどの力の変形をテストするときに使用できます。

自動車

テスト中のエンジンハウジングの排気量を制御するために使用できます。
LVDTセンサーの理想的なアプリケーションは、車両のサスペンションコンポーネントをテストすることです。
精密部品の製造を管理するために使用できます。
ディーゼルインジェクターなどのエンジンコンポーネントの調整に使用できます。
車両のドア、ペダル、ハンドルをテストして、寿命の延長をシミュレートするために使用できます。
ガラスやその他の面物などのワークの表面プロファイルを測定するために使用できます。

発電

タービンシャフトの振れを測定するために使用できます。
タービンへの蒸気の流れを制御する主蒸気弁の位置を制御するために使用できます。バルブは常にその位置を調整して、一定のタービン速度を維持します。 LVDTセンサーは、高温、汚れ、および一定の振動環境に最適です。
バイパスバルブの位置を制御するために使用できます。バイパスバルブが開くと、センサーは200°Cの温度を経験する可能性があります。

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州の教育機関

より高度な専門教育

リペツク州立技術大学

物理学および生物医学工学科

主題に関するコースワーク：

«医療用トランスデューサーと電極»

トピック：「変位および位置センサー」

完了：学生gr。 IM-09-1

ロッシキンA.N.

承認済み：st.pr。ナザロワV.A.

リペツク2011

序章

製造業の世界がますます自動化されるにつれて、産業用センサーは生産性と安全性の向上においてますます重要な役割を果たしています。

20年間、センサーとパスメーターは、位置センサー、変位センサーなど、すべての業界で成功裏に使用されてきました。デバイスの電子部品と機械部品、変位センサー、位置センサーの間のリンクとして、位置センサーはさまざまなプロセスを自動化するための機器の不可欠な要素になっています。

この作業は、非接触センサー、つまり誘導センサー、静電容量センサー、および光学センサーに専念しています。それぞれのタイプには長所と短所があるため、センサーの使用条件と要件に応じて、いずれかのタイプが選択されます。非接触センサーとは何かを説明し、その利点と使用例について説明します。私たちの仕事では、静電容量センサーに多くの注意を払いました。それに基づいて作成されたデバイスと見なされます。

これで研究作業非接触センサーでのデータの処理から得られた情報を表示します。

作業の目的：デバイス、非接触センサーの動作原理と機能、それらの作業の根底にある現象、アプリケーションを研究し、それらの長所と短所を特定します。

仕事科学的研究科学的および技術的情報を収集および処理するスキルを習得することです。

近接センサー誘導光学

1.センサー、一般情報

センサー、センサー（英語のセンサーから）-制御システム、一次コンバーター、システムの測定、信号、調整、または制御デバイスの要素であり、制御値を使用に便利な信号に変換します。

現在、自動制御システムの構築にはさまざまなセンサーが広く使用されています。

センサーは要素です技術システム、デバイスまたはプロセスの測定、シグナリング、規制、制御を目的としています。センサーは制御値（圧力、温度、流量、濃度、周波数、速度、変位、電圧、電気など）を信号（電気、光学、空気圧）に変換し、測定対象の状態に関する情報を測定、送信、変換、保存、および登録するのに便利です。

歴史的および論理的に、センサーは測定技術に関連付けられており、計測器たとえば、温度計、流量計、気圧計、姿勢指示器など。一般化された論理概念センサーの要素として、自動制御システムの開発に関連して、一般用語センサーがより強力になりました-制御デバイス-アクチュエーター-制御物体。特殊なケースは、自動パラメータ記録システム、たとえば科学研究システムでのセンサーの使用です。

センサーの概念の定義。

広く使用されている2つの主な意味があります。

媒体のパラメータを技術的使用に適した信号、通常は電気信号に変換する敏感な要素。ただし、空気圧信号など、性質が異なる場合もあります。

必要に応じて、信号増幅、線形化、キャリブレーション、アナログ-デジタル変換、および制御システムに統合するためのインターフェースのためのデバイスを含む、上記の要素に基づく完成品。この場合、センサー自体の感知要素は、センサーと呼ばれることがある。

これらの値は、センサーメーカーがこの用語を使用する慣行と一致しています。最初のケースでは、センサーは、サーミスタ、フォトダイオードなどの小さな、通常はモノリシックな電子デバイスであり、より複雑な電子デバイスを作成するために使用されます。 2番目のケースでは、既知のインターフェースの1つを介して自動制御または登録システムに接続された、機能が完全なデバイスです。たとえば、マトリックス内のフォトダイオードなど。

入力（測定）量のタイプに応じて、次のものがあります。

機械的変位センサー（線形および角度）、

空気圧、

電気、

流量計、

スピードセンサー、

加速度、

温度

圧力など

センサーには次の3つのクラスがあります。

アナログセンサー、つまり生成するセンサーアナログ信号、入力値の変化に比例します。

パルス列またはバイナリワードを生成するデジタルセンサー。

次の2つのレベルのみの信号を生成するバイナリ（バイナリ）センサー：「オン/オフ」（つまり、0または1）。シンプルなため広く使用されています。

2.位置センサー

位置センサー（変位センサー）は、物体の位置を特定するために設計されたデバイスであり、固体または液体の形態であるだけでなく、粒状の物質でもあります。

位置センサーは、リレーまたは論理回路とプログラマブルコントローラの両方に基づく自動化システムの主要な情報源です。システム全体の信頼性は、不安定要因に最もさらされる要素の信頼性によって決まります。

位置センサー（変位センサー）には、非接触（誘導センサー、磁気、静電容量、超音波、光学）と接触の2つのタイプがあります。 2番目のタイプの主な代表は、エンコーダーです。これは、オブジェクトの回転角を、この角度を決定できる信号に変換するデバイスです。

出力の種類に応じて、位置センサー（変位センサー）は、アナログ、デジタル、ディスクリート（スイッチ）に分けられます。

3.近接センサー

近接センサー、近接スイッチは、オブジェクトの位置を制御するように設計された産業用自動化デバイスです。 GOST 26430-85では、「近接スイッチ」という用語が導入されました。その後、GOSTR50030.5.2-99はこの用語を「非接触センサー」に置き換えました。現在、これらの製品には両方の用語が使用されています。

図1.1。近接センサーの外観

近接スイッチは、影響対象がスイッチの感度ゾーンに入ると、スイッチング動作を実行します。作用物体と近接スイッチの敏感な要素との間に機械的接触がないため、その動作の高い信頼性が保証されます。

図1.2。近接スイッチ

簡略化すると、近接スイッチの機能図は3つのブロックで構成されます。

図1.3。近接スイッチの機能図

影響対象が検知素子のアクティブな表面に近づくと、非接触スイッチがアクティブになります。この場合、スイッチング素子は、最大400 mAのDC回路および回路で、開閉します（またはこれらの操作の両方を実行します）。交流電流最大250mA。

非接触位置センサーは、敏感な要素の動作原理（誘導性、光学的、容量性など）に従って分類されます。

近接スイッチは、次のようなさまざまな業界におけるプロセス自動化の主要なデバイスです。

工作機械製造、

自動車、

エンジニアリング、

食品産業等

WBのこのような広い範囲は、彼らの助けを借りて実装された多数の可能な技術的解決策によるものです。

オブジェクトの数を数える、

オブジェクト位置制御、

速度検出、

回転角の決定

とはるかに。

3.1誘導センサー

誘導センサーは、機械、機構、ロボットなどの作動体の動きに関する情報を非接触で取得するために設計された非接触センサーです。この情報を電気信号に変換します。

誘導センサーは、すべての導電性物体を認識し、それに応じて応答します。

誘導センサーは、プロセス制御システムの問題を解決するために広く使用されています。ノーマルオープンまたはノーマルクローズの接点で利用できます。

動作原理は、センサー内部のインダクターによって生成される磁場のパラメーターを変更することに基づいています。

磁気回路の要素の1つは、測定されることになっている動きに関与し、それによって測定巻線と対応する電気信号を通る磁束の変化を引き起こします。

可動要素が強磁性コアである場合、並進運動または回転中のその運動は、a）コイルの自己誘導係数（可変インダクタンス）の変化、またはb）間の結合係数の変化として現れます。二次電圧の変化につながる変圧器（差動変圧器）の一次および二次巻線。

可変結合トランスでは、1つの巻線が別の巻線に対して回転し、固定されます（1つはソースの役割を果たし、もう1つはレシーバーの役割を果たします）。一次巻線はインダクタを形成し、誘導電流を伴う二次巻線は回転角の関数として電圧を与えます（誘導ポテンショメータ、レゾルバ）。

自己誘導係数Lまたは相互誘導Mの巻線の変位への依存性は、通常、平凡な線形性を持っています。その線形性は、係数MとLを持つ2つの追加コイルを微分包含し、与えられた変位に対して反対方向に変化させることで大幅に改善できます。これにより、非線形性が部分的に補償されます。

誘導センサーは、正弦波電圧源が供給される回路に接続されます。正弦波電圧源の周波数は、干渉と磁気損失の両方、およびフーコー電流による損失を減らすために、通常は数十キロヘルツに制限されます。測定された電圧vmは、x（t）を移動して供給電圧Escosшstの振幅を変調することによって得られます。

vm = kx（t）Escos（wst +Ф）（1）。

誘導要素の変化は、変位に比例して発振周波数を変調するのに役立つ場合があります。いずれの場合も、変調のタイプに関係なく、検出を容易にするために、周波数fは搬送周波数よりもはるかに低くする必要があります（f

その性質上、誘導センサーは、一方では外部電磁界に敏感であり、他方ではそれら自体を誘導することができます。したがって、誘導センサーは、磁気シールドとして機能するケーシング内に配置する必要があります。

構造

誘導型近接スイッチは、次の主要コンポーネントで構成されています。

図2.1。誘導スイッチデバイス

ジェネレータは、オブジェクトとの相互作用の電磁場を作成します。

トリガーは、スイッチング中のヒステリシスと制御信号フロントの必要な持続時間を提供します。

アンプは信号振幅を必要な値まで増加させます。

LEDインジケータは、スイッチの状態を示し、パフォーマンスの監視と迅速な設定を提供します。

この化合物は、固体粒子と水の浸透に対して必要な程度の保護を提供します。

ケースはスイッチの取り付けを提供し、機械的な影響から保護します。真ちゅうまたはポリアミド製で、ハードウェア製品が付属しています。

基本的な定義。

1.アクティブゾーン。

非接触誘導スイッチのアクティブゾーンは、センサーの検出要素の磁場が最も集中する、敏感な表面の前の領域です。この表面の直径は、センサーの直径とほぼ同じです。

米。 2.2。センサーアクティブエリア

2.公称検出距離。

図2.3。定格スイッチング距離

公称スイッチング距離は、センサーの製造パラメーターの変動、温度および供給電圧の変化を考慮しない理論値です。

定格検出距離（Sn）はセンサーの主なパラメーターであり、定格供給電圧と温度で特定のサイズに対して正規化されています。作動距離は、敏感な要素の寸法の増大とともに、したがって、センサーの寸法の増大とともに増加する。

GOST R 50030.5.2-99によると、誘導センサーは、保証された応答間隔で動作する必要があります。つまり、0（つまり、高感度センサーヘッドの表面）から要求されたSnの81％までの範囲で動作する必要があります。標準化された鉄板のターゲット。

センサーの応答間隔は、客観的に周囲温度に依存します。

原則として、センサーは、影響を受ける対象物（可動構造要素）がデバイスの敏感な表面と平行に移動するように設置されます。

3.作業クリアランス。

ワーキングギャップは、許容可能な温度および電圧制限内で近接スイッチの信頼性の高い動作を保証する任意の距離です。

図2.4。測定されたギャップを持つセンサーのスキーム

作業クリアランス補正係数。

補正係数により、影響の対象となる金属に依存する作業ギャップを決定できます。

凹型設計（金属にぴったりと取り付けることができる）と非凹型のセンサーがあります。 2番目のケースでは、センサーの検出距離が長くなります。

この図は、出力信号のディスクまでの距離への依存性を示しています。

図2.5。距離に対する出力信号の横方向近接センサーの依存性。

3.1.1。可変インダクタンスセンサー

Nターンのワイヤのコイルの自己誘導係数Lは、それに関連する磁気回路の磁気抵抗に依存します。

L = N2 / R、ここでR=。

ここで、mは透磁率、Sはループの断面積です。

磁気回路のさまざまなセグメントの断面積が一定である場合、

ここで、lfとl0はそれぞれ強磁性体と空気中の力線の長さ、sfとs0は磁気回路とギャップの断面積、mfは（ 103h104のオーダー）およびmo = 4p 10-7（SIシステム内）。

測定可能なギャップのある磁気回路。一般式に基づいて、自己誘導係数の式を簡単に確立できます。

インダクタンスはギャップ測定に敏感でなければならないので、l0»lf / mfを選択する必要があり、そこからLの式を取得します。

ライニングのDxを移動すると、ギャップのDl0 = 2Dxが変化し、インダクタンスは新しい値を受け取ります。

感度はプレートの初期位置l0に依存します。つまり、l0が高いほど小さくなります。この場合、感度は、変位がl0に比べて非常に小さい場合にのみ一定と見なすことができます。これにより、このタイプの変形のセンサーの使用が1ミリメートルのオーダーに制限されます。

感度と直線性は、可動ライニングに対して対称に配置された2つの同一の巻線とコアを微分包含することによって改善できます。

可動コア付きコイル。強磁性コアは、位置または動きを測定する部品に接続されています。このコアは、長さlにわたって等間隔に配置されたNターンのワイヤを含む巻線の可変深さlfに浸されます（図2.6）。

米。 2.6。可動コアコイルの概略図。

1-コイル; 2-磁気コア。

巻線の自己誘導係数Lは、コアの浸漬深さに依存します。 Lを計算するとき、インダクタンスは、自己誘導係数Loを持つ長さl0の空気で満たされたインダクタンスと、自己インダクタンス係数Lfを持つ長さlfの鉄心インダクタンスの直列の組み合わせと見なされます。相互誘導の係数はMに等しい。

ここで、は一定であると想定される結合係数です。

米。 2.7。 2つの可動コアコイルの差動作動。

3.2静電容量センサー

静電容量センサー、非電気量（液面、機械力、圧力、湿度など）を静電容量値に変換する測定コンバーター。構造的に、静電容量センサーは電気平面平行または円筒形のコンデンサーです。

容量性近接スイッチの動作原理

静電容量センサーには、アクティブな表面まで伸びたコンデンサプレートの形の敏感な要素があります。

静電容量センサーの動作原理は、コンデンサーの形状の変化（つまり、プレート間の距離の変化）、またはプレート間のさまざまな材料の配置による静電容量の変化のいずれかに基づいています。導電性または誘電性。静電容量の変化は通常、交流電気信号に変換されます。

動作原理は、コンデンサの電気容量の寸法、プレートの相対位置、およびそれらの間の媒体の誘電率への依存性に基づいています。

2プレートフラットコンデンサの場合、電気容量は次の式で決まります。

ここで、e0は誘電率です。 eはプレート間の媒体の比誘電率です。 Sはプレートのアクティブエリアです; dはコンデンサプレート間の距離です。

依存関係C（S）およびC（d）は、機械的変位を静電容量の変化に変換するために使用されます。

任意の材料で作られた物体がアクティブな表面に近づくと、コンデンサの静電容量、発電機のパラメータ、そして最終的にはスイッチング素子のスイッチングが変化します。

静電容量センサーのデバイスと動作原理

米。 2.8。静電容量センサーデバイス

静電容量式近接センサーは次のように機能します。

1.ジェネレータは、オブジェクトとの相互作用のための電界を提供します。

2.復調器は、発電機の高周波振動の振幅の変化をDC電圧の変化に変換します。

3.トリガーは、スイッチング信号エッジの必要なスロープとヒステリシス値を提供します。

4.アンプは出力信号を必要な値まで増加させます。

5. LEDインジケータはスイッチの状態を示し、操作性、設定の迅速さを保証します。

6.化合物は、固体粒子と水の浸透に対して必要な程度の保護を提供します。

7.ケースはスイッチの取り付けを提供し、機械的衝撃から保護します。真ちゅうまたはポリアミド製で、ハードウェア製品が付属しています。

静電容量式非接触センサーのアクティブな表面は、「ラップされていない」コンデンサーのプレートとして表すことができる2つの金属電極によって形成されます。電極は、アクティブな表面の近くに物体がない場合に生成されないように調整された高周波発振器のフィードバック回路に含まれています。静電容量式近接センサーのアクティブな表面に近づくと、物体は電界に入り、フィードバック容量を変化させます。ジェネレータは振動を生成し始め、その振幅はオブジェクトが近づくにつれて増加します。振幅は、出力信号を生成する後続の処理回路によって推定されます。静電容量型近接センサーは、導電性の物体と誘電体の両方によってトリガーされます。導電性材料で作られた物体にさらされた場合、実際の検出距離Srは最大になり、誘電体材料で作られた物体にさらされた場合、距離Srは材料erの誘電率に応じて減少します（Sr対erおよび材料の誘電率の表）。誘電率の異なる異なる材料で作られたオブジェクトを扱う場合は、Sr対erのプロットを使用する必要があります。サーキットブレーカの技術データで指定されている定格動作距離（Sn）および保証された露出間隔（Sa）は、接地された金属ターゲット（Sr = 100％）を参照しています。実際の検出距離（Sr）を決定するための比率：0.9 Sn< Sr < 1,1 Sn.

図2.9。実際の作動距離Srの物体材料の誘電率への依存性

一部の材料の誘電率：

静電容量センサーは、ユニポーラ（1つのコンデンサのみを含む）、差動（2つのコンデンサを含む）、またはブリッジ（4つのコンデンサがすでにここで使用されています）にすることができます。差動センサーまたはブリッジセンサーの場合、1つまたは2つのコンデンサーは一定または可変であり、互いに接続されています。

実際には、導電性物体の変位を測定するとき、その表面はしばしばコンデンサープレートの役割を果たします。図に 2.10。ユニポーラ静電容量センサーの概略図が示されています。ここでは、コンデンサープレートの1つが同軸ケーブルの中心導体に接続されており、オブジェクト自体がもう1つのプレートです。トランスデューサー自体のプレートは、直線性を改善し、エッジ効果を低減するために、接地シールドで囲まれていることに注意してください。一般的な静電容量センサーは、3 MHzの範囲の周波数で動作し、動きの速い物体の動きを検出できます。統合された電子インターフェースを備えたこのようなトランスデューサの周波数応答は、40kHzの範囲にあります。

静電容量型近接センサーは、電極と物体自体の間の静電容量を測定しながら、導電性の物体を扱うときに非常に効果的です。静電容量センサーは、非導電性の物体でも非常にうまく機能しますが、精度は多少低下します。電極の近くに入る物体には独自の誘電特性があり、電極とセンサー本体の間の静電容量が変化します。これにより、物体と検出器の間の距離に比例した出力信号が得られます。

アクティブシールドは、ユニポーラ静電容量センサーの感度を高め、エッジ効果を減らすために使用されます。この場合、スクリーンは電極の非動作側の周りに配置され、電極の電圧に等しい電圧がそれに適用されます。スクリーンと電極の電圧は同じ振幅と位相を持っているので、それらの間に電界はなく、スクリーンの後ろにあるすべてのコンポーネントはセンサーの動作に影響を与えません。このシールド方法を図1に示します。 2.11。

図2.10。シールドリング付き静電容量センサー、断面積

米。 2.11。電極の周りにアクティブシールドを備えた静電容量式物体距離センサー

近年、ブリッジ静電容量変位センサーが非常に人気があります。図に 2.12。線形ブリッジ静電容量変位センサーが表示されます。これは、一定の距離dで平行に配置された2つのグループのフラット電極で構成されています。静電容量を大きくするために、電極間の距離を十分に小さくします。電極の固定グループは4つの長方形要素で構成され、可動グループは2つで構成されます。 6つの要素はすべて同じ寸法です。

直線性の範囲を広げるには、各要素のサイズをできるだけ大きくすることが望ましいです（ここでは、原則として、機械的強度の制限が影響し始めます）。固定サブグループの4つの電極は、容量性ブリッジタイプの回路を形成するために行われる電線によって相互に相互接続されています。

周波数が5〜50kHzの正弦波電圧がブリッジ回路に印加されます。差動増幅器は、移動グループ内の一対の電極間の電圧差を増幅します。増幅器の出力信号は、同期検波器の入力に供給されます。コンデンサの静電容量。 2つの平行なプレートを備えたブリッジタイプの静電容量センサー：A-グループの配置、B-相互の対応する領域の反対側にある可動プレートの部分の領域に比例する、相互の公称距離の等価回路固定プレート。図に 2.12。容量性ブリッジ構成の変位エンコーダの等価回路が示されています。静電容量式変位センサーには、幅広い用途があります。それらは、オブジェクトの位置と動きを決定するために独立して使用することも、個々の要素の動きがそれらに対するさまざまな力、圧力、温度などの作用によって引き起こされる他のセンサーの一部にすることもできます。

図2.12。ブリッジ静電容量センサー。

3.3光学センサー（光電センサー）

光センサーは、光束の強さの変化を記録して応答するデバイスです。

アナログとディスクリートの光学センサーがあります。アナログセンサーの場合、出力信号は周囲光に比例して変化します。アプリケーションの主な領域は、自動照明制御システムです。

ディスクリートタイプのセンサーは、所定の照明値に達すると、出力状態を反対に変更します。

機械的接触と電位差センサーに続いて、光学検出器はおそらく物体の位置と動きを決定するための最も一般的なデバイスです。

光変位センサーの構成には、原則として、光源、光検出器、および光を制御するデバイス（レンズ、ミラー、光ファイバーなど）の3つのコンポーネントが含まれます。

米。 3.1。光学センサー装置。

保護スクリーンまたは冷却を使用して、光学センサーを使用して、加熱された物体を配置またはカウントします。

GOST R 50030.5.2に従って、光近接スイッチは3つのグループに分類されます。

タイプT-エミッターからの直接ビームの受信。

タイプR-リフレクターから返されたビームを受信します。

タイプD-物体から拡散反射されたビームを受信します。

光学センサータイプTは、エミッターとレシーバーが別々のハウジングに配置されているという特徴があります。直接光ビームはエミッターからレシーバーに行き、影響を受ける物体によって遮断される可能性があります。エミッターとレシーバーは、異なる電源から電力を受け取ることができます。エミッタインジケータは供給電圧を通知します。レシーバーがトリガーされると、レシーバーのインジケーターが信号を送ります。スイッチング素子は受信機にあります。

Rタイプの光学センサーは、同じハウジング内にエミッターとレシーバーが配置されています。レシーバーは、特別なリフレクターから反射されたエミッタービームを受け取ります

タイプDの光学センサーは、同じハウジング内にエミッターとレシーバーが配置されています。受信機は、ターゲットから拡散反射されたビームを受信します。オブジェクトは、相対軸に沿って、およびオブジェクトに対してある角度で移動できます。

3.3.1アブソリュートデジタルエンコーダ

これらは、直線運動用のレールまたは角度運動用のディスクであり、N個の等しい領域（レールの場合はバンド、ディスクの場合はセクター）に分割され、次のように決定された位置に対応するバイナリワードが記録されます。コードと特定のテクノロジー。サイトの数Nは、次のように解像度を決定します。長さLcmのレールの場合はL/ N cm、ディスクの場合は360°/N。

各単語を構成するすべてのnビットは、2つの異なる物理状態を使用して値0または1を決定するn個の並列（レールの場合）または同心（ディスクの場合）トラック（図）で実体化します。

a）非磁化性または強磁性の表面（磁気読み取り）;

b）絶縁または導電性の表面（電気的検知）;

c）不透明および半透明の表面（光学的読み取り）。

現在、光学読み取りが最も一般的に使用されています。各トラックには、ソース（エレクトロルミネッセンスダイオード、レシーバー）、フォトトランジスターがあります。

米。 3.3。自然なバイナリコードを使用したレーキとディスク。

米。 3.3。グレイコード付きのレールとディスク。

4.近接センサー

このタイプのセンサーは、デバイスと移動物体の間に機械的な接続がありません。それらの間の相互作用（相互の位置の関数）は、次のように機能することができるフィールドによって確立されます。

磁気抵抗が可変のセンサーの磁気誘導場（ホール効果が使用されます）。

Foucault電流を使用するセンサーの電磁界。

静電容量センサーの電磁界。

近接センサーの利点は、そのような機械的な接続がないという事実にあります。これらには以下が含まれます：

広い帯域幅;

測定対象物とセンサーの間に発生する力が非常に小さいため、測定対象物への影響が少ない。

摩耗やクリアランスの増加の影響を受ける可動部品がないため、信頼性が向上します。

さらに、これらのセンサーは、測定回路と移動物体のガルバニック絶縁を提供します。

それらの主な欠点は次のとおりです。

小さい、約1 mm、測定範囲;

非線形性;

それらのいくつかの読み取り値がオブジェクトの形状、サイズ、材料、およびその環境に依存しているため、特定のアプリケーション条件でのキャリブレーションが必要になります。

近接センサーは、アナログモードまたはデジタルコードモードで使用されます。前者の場合、信号振幅はオブジェクトとセンサーの相対位置の連続関数であり、後者の場合、信号レベルは、オブジェクトが特定の距離よりも近いか遠いかに応じてのみ高くまたは低くなります。距離：後者の場合、センサーは近接検出器と呼ばれます。このセンサーの使用により、以下を決定します。

公称範囲-センサーの軸に近づく距離で、標準オブジェクトがセンサーの出力でコード状態の変化を引き起こします。

微分またはヒステリシスコース-標準オブジェクトがセンサー軸に沿って接近しているか離れているかに応じて、コード状態の変化に対応する距離の差。

いくつかの可能なアプリケーションを図1に示します。 4.1これらには以下が含まれます：位置の測定と安定化。

サイズコントロール;

慣性の小さい物体の動きの研究。

米。 4.1。近接センサー。

a-位置; b-調整; c-2つの座標での調整。 g-直径; e-縦方向および横方向の動き。 eは油膜の厚さです。 g-金属の絶縁体の厚さ。 h-金属の厚さ; および-サイズ; k、l-動的変位、m-静的変位。

4.1磁気抵抗が可変の誘導センサー

このようなセンサーは変圧器であり、その磁気回路には移動物体が含まれています（図4.2）。このトランスは強磁性であるか、強磁性の表面を持っている必要があります。

米。 4.2。可変磁気抵抗を備えた近接センサー。

1-磁気スクリーン; 2-二次巻線; 3-強磁性表面; 4-一次巻線。

ギャップとして機能する物体とセンサーヘッドの間の距離は、磁気回路の抵抗を決定し、したがって、一次側が通電されたときに二次側を通過する磁束とその端子の電圧を決定します。測定信号vmである二次巻線の電圧は、次の形式で記述された法則に従って非線形に変化します。

ここで、xは物体からのセンサーの距離であり、vmoとは特に透磁率、物体の形状と寸法に依存します。

信号は、特定の位置に対する小さな変位に対して線形化できます。2つの同一のセンサーが移動物体の反対側に接続され、差動回路に従ってオンになっている場合は、一次巻線は直列または並列に供給され、二次巻線は直列または並列に供給されます。電圧vm1とvm2は反対方向に接続されています。この場合の測定電圧は

4.2フーコー電流を使用した誘導センサー

このタイプのセンサーの主な要素は、高周波を動力源とするコイルであり、周囲の空間に交流磁場を誘導します。フーコー電流は、このゾーンに配置された金属物体で発生します。レンツの法則によれば、彼らは彼らを引き起こした原因を補償しようとします。したがって、それらはコイルの誘導と符号が反対の誘導を引き起こし、それはその自己誘導係数の減少につながる。強磁性体にのみ適した可変磁気抵抗のセンサーとは異なり、フーコー電流のセンサーはあらゆる金属物体に敏感です。ただし、その読み取り値は、オブジェクトまでの距離だけでなく、その物理的特性（抵抗性、透過性）および幾何学的特性（形状とサイズ）にも依存します。通常、オブジェクトとセンサーは空中に配置されます。このデバイスは、動作周波数での損失が少ないことを特徴とする誘電体媒体でも使用できます。

米。 4.3。コイルと導電性物体の誘導結合。対応する簡略化された配線図。

1-オブジェクト; 2-エキサイティングなコイル。

初等物理理論。このタイプのセンサーの動作の簡略化された理論は、金属物体を相互誘導によってコイルに接続された集中定数素子を備えた回路に例えることによって説明できます（図4.3）。

一次回路を形成するコイルとその電源は、次の式で表されます。

およびオブジェクト（二次回路）-方程式による

オブジェクトプロパティの影響。抵抗率。物体との接続が一次インダクタンスに与える影響が小さいほど、物体の抵抗が高くなります。それを構成する材料の導電率が低いほど。この場合、可動物体に導電性の高いシートやアルミニウムなどのコーティングを施すことで、計測器の感度を向上させることができます。

透磁率。強磁性体をコイルに近づけると、2つの反対の効果が発生します。磁気回路の抵抗が減少するとインダクタンスが増加する傾向があり、フーコー電流によってコイルが減少します。結果として生じるインダクタンスの変化の方向は、透磁率と物体の抵抗率の値の比率に依存します。

寸法。フーコー電流のほぼすべてのセットが表層に局在していると想定され、その厚さは表層qの約3倍であり、その式は次の形式を持ちます。

ここで、mとyはそれぞれ、物体の透磁率と電気伝導率です。fはコイルの誘導磁場の周波数です。したがって、1 MHzの周波数では、q？アルミニウムとdの場合は80ミクロン？鋼の場合は20µm。

センサーの応答は、皮膚層の厚さの3倍を超える場合、オブジェクトの厚さに依存しません。オブジェクトの横方向の寸法も、コイルの直径よりも大きい場合はほとんど影響しません。

測定スキーム。アナログセンサー。通常、ブリッジの隣接するレッグにある2番目のインダクタンスは、ランダムな影響を補償するために、測定インダクタンスに差動接続されます。

2番目のインダクタンスは次のようになります。

移動物体と同じ性質の固定物体モデルの隣にある基準インダクタンス（この場合、測定信号は変位の非線形関数です）。

このオブジェクトの動きが2つのインダクタンスの反対の変化を伴うようにオブジェクトに対して配置された可変インダクタンス（この差動スイッチング方法により、\ u200b \ u200b変位の限られた領域でセンサー特性を線形化できます）。

近接検出器。物体までの距離が特定の距離よりも大きいか小さいかだけで物体の位置を知るだけで十分な場合、インダクタンスは通常、発電機の共振回路の回路に配置されます。物体に近づくと、損失が増加し、インダクタンスが減少します。その結果、負荷回路の品質係数Qが低下します。しきい値に対応するQの特定の最小値を下回ると、生成が停止します。対応する回路がこれを検出し、生成の有無を通知します。

4.3ホール効果センサー

ホール効果は、誘導場Bに配置された導体の電流線に垂直な電位差VHの出現で表されます。ホール電圧VHは、Vの方向と大きさに依存します。ホール効果は、移動する電荷に作用するラプラス力の結果です。

ホール効果に基づくセンサーは、プレート（通常は半導体）の形でプローブを形成し、そこに電流が流れ、そのエッジでホール電圧が測定されます。また、磁石が誘導磁場Bを生成します。プローブの領域での値（電圧VHなど）は、磁石の位置に依存します。

要素の1つ（プローブまたは磁石）は固定されており、もう1つは移動するオブジェクトに接続されています。通常、低レベル信号のモバイルソースとの電気通信の問題を回避するために、プローブは固定されています。この場合、物体の動きが妨げられないようにするために、磁石の質量は比較的小さくなければならず、これは誘導が測定可能な領域を制限し、したがって測定範囲を狭める。

ホール効果の初歩的な物理理論。電位差Vが印加され、長手方向に電流Iが発生する導電性の長方形プレート（長さL、幅l、厚さe）について考えてみます（図4.4）。

米。 4.4。ホール効果に基づくプローブの概略図。

導電率が濃度nと移動度mの電子によって提供されると仮定すると、次のようになります。

ここで、cは抵抗率、c = 1 / qmn（q = 1.6 10-19 C）、V = ExL、Exは縦電界、ここでI=qmnExelです。

プレートは、プレートBNの平面に垂直な成分とともに誘導場Bに配置されます。速度vで移動する電子に作用するラプラス力FLは、FL = -qvBに等しくなります。ここで、v=-mExです。この力はyが増加する方向に向けられ、次の値を持ちます。

力FLの作用下で、電子はyが増加する側からプレートの側面に蓄積し、反対側に反対の符号の同じ電荷を残します。これらの電荷は、y軸に平行な電界Eyを生成し、yを増加させる方向に向けられ、力Fy=-qEyで各電子に作用します。両方の力のバランスがとれると、平衡状態に達します。

ホール電圧VHは、プレート幅の積に対応します。

または、現在のIに対して以前に見つかった式が与えられた場合、

ここで、KH = -1/qnはホール定数です。

フォノンによる可動電荷の散乱を考慮に入れたより厳密な理論は、前のKH式に3p/8を掛けることにつながります。いくつかの典型的なホールセンサー材料の大きさの順序を表に示します。

数値例。抵抗率が5・10-5オーム・mの厚さ0.1 mmのヒ化インジウムプレートに、1 mAの電流を供給し、104 Gsの電圧の通常の誘導場に置くと、3.8mVのホール電圧が現れます。

ホール定数は、自由キャリアの密度に影響を与えるため、温度に依存します。温度感度（1 / KN）（d KN / dT）は、材料によって広範囲にわたって変化し、1°Cあたり数％に達する可能性があります。

Bの値の関数としてのKNの変化は、測定範囲の数％のオーダーの直線性からの逸脱をもたらす可能性があります。この非線形性の符号は、材料によって異なります。

センサーの設計。ホール効果センサーが直接敏感になる測定量は、磁気誘導の法線成分BNです。対応する感度は

感度は、プローブを通過する電流Iに比例します。プローブの設計（厚さeおよびKH係数に応じた材料の選択）によって異なります。

センサーを使用して位置または変位を検出する場合、誘導磁石は、センサーが直接感知する二次測定量を変更するために、一次測定量（位置または変位）の作用を受ける中間トランスデューサーとして機能します。位置感度Sxは次の式で与えられます。

位置感度Sxは、特に、変位領域における誘導の法線成分の勾配に比例します。この勾配は、磁石の性質とプローブに対する磁石の位置に依存します。通常、それは重要な値を持ち、非常に限られた領域（1 mmのオーダー）でのみほぼ一定です。

材料選択基準。ホール電圧は電流Iに比例しますが、この電流は、それが生成するジュール熱によって制限されます。これは、消費電力Pdに比例します。

Pd関数では、ホール電圧は次のように表されます。

入力抵抗の大きいデバイスで測定を行い、消費電力を制限範囲内で加熱するように設定している場合は、/n項が最大となる材料を選択する必要があります。

たとえば、測定がホールジェネレータによって整合抵抗で消費される電力に関するものである場合、最大値は値である必要があります。

近接検出器。これは、ヒステリシスレベルコンパレータであるホールプローブにシュミットトリガーを取り付けることによって実装されます。これにより、それぞれ上向きまたは下向きに変化するかどうかに応じて（BN +およびBN-）が可能になります（図4.5）。通常、DBNヒステリシスは数十mTのオーダーであり、通常のバックグラウンド誘導よりも高いため、これらの誘導によって引き起こされる可能性のある誤警報を回避することができます。

米。 4.5。ホール効果近接検出器と相互作用の特性評価。

5.センサーの長所と短所

5.1誘導センサー

利点

機械的摩耗、接触不良なし

接触バウンスおよび誤検知なし

3000Hzまでの高いスイッチング周波数

機械的ストレスに耐性

短所-感度が比較的低い、誘導抵抗が電源電圧の周波数に依存している、センサーが測定値に大きくフィードバックしている（電機子がコアに引き付けられるため）。

5.2静電容量センサー

静電容量センサーの利点は、シンプルさ、高感度、低慣性です。

短所-外部電界の影響、測定デバイスの相対的な複雑さ。

5.3光学センサー

利点-検出距離が大きい（最大50 m）ため、光近接センサーは業界内外で広く使用されています。

5.4超音波センサー

それらは、光学的および電気的特性に関係なく、さまざまな物体の位置とサイズの非接触制御を可能にし、液体およびバルク材料でタンクの充填レベルを測定し、シートの巻線の直径を制御するプロセス機器で広く使用されています材料と他の問題を解決します。専用の超音波センサーを使用すると、透明なポリマーフィルム、布、紙のエッジの位置と厚さを判断できます。

超音波センサーの動作は、圧電効果に基づいています-電界が印加されたときのセラミックまたは石英プレートの幾何学的寸法の変化と、機械的影響下でのプレートの表面での電界の出現。印加電界の周波数（300kHz）でプレートが振動すると、同じ周波数の音波が発生します。これらの波は330m/sの速度で空中を伝播します。それらは、エコーのように、オブジェクトから反射されてエミッタに戻ります。プレートに作用する音波は、プレート上に電界の出現を引き起こします。したがって、プレートは最初にエミッターとして機能し、次に超音波のレシーバーとして機能します。センサーの応答範囲は、これらの波の放射パワーとセンサーが反射を待機している時間間隔を変更することによって調整されます。

5.5ホール効果センサー

磁石を運ぶ物体からプローブを分離する非強磁性シールドを介して位置または動きを測定する機能。

6.センサーの適用

業界での位置センサーと変位センサーの使用は多様です。特に、医学では、非接触センサーは、ガンマカメラ、蛍光写真、MRI、超音波、砕石器などのデバイスに見られます。

6.1誘導センサー

誘導センサーは、機械、メカニズム、ロボットなどの動作部分の動きに関する情報を非接触で取得するために使用されます。この情報を電気信号に変換します。

それらは、CNCマシン、プレス、射出成形機、コンベヤーライン、自動バルブ、包装機などに設置されます。

6.2静電容量センサー

静電容量センサーは、角変位、非常に小さな線形変位、振動、移動速度などを測定するため、および指定された機能（調和、鋸歯状、長方形など）を再現するために使用されます。

誘電体の動き、変形、または組成の変化によって誘電率eが変化する静電容量式トランスデューサは、非導電性液体、バルクおよび粉末材料、非導電性材料の層の厚さのレベルセンサーとして使用されます。、および湿度と物質組成の監視。

6.3光学センサー

光学センサーは、オブジェクトの位置決めまたはカウントのためにすべての業界で使用されています。

光センサーは至る所にあり、私たちの日常生活で使用されています。それらは、ガレージのドアを開閉するプロセスを制御し、シンクの水を非接触でオン/オフし、エスカレーターの動きを制御し、スーパーマーケットのドアを開き、写真判定を行うのに役立ちます。

6.4超音波センサー

ジャムコントロール

プレゼンスセンサー

ロボット工学用近接センサー

引き出しの空のコントロール

コンベアの品質管理

トレイの存在の制御

ねじ・断線制御等

充填制御

ロール径チェック

プレゼンスセンサー

車両測位、（近接センサー）

結論

科学的研究では、非接触センサーの主なタイプ、それらの動作の特徴と原理、およびそれらの適用範囲が考慮されました。

近接スイッチは、次のようなさまざまな業界のプロセスを自動化するための主要なデバイスであると要約できます。

工作機械製造、

自動車、

石油化学産業、

エンジニアリング、

食品産業等

WBのこのような広い範囲は、彼らの助けを借りて実装された多数の可能な技術的解決策によるものです。

オブジェクト位置制御、

オブジェクトの有無の登録、

寸法、色、その他の物理的特性に応じたオブジェクトの選択、

速度検出、

回転角の決定

およびはるかに

近接スイッチの利点：

高信頼性;

出力値の入力への明確な依存性。

経時的な特性の安定性;

小さいサイズと重量;

オブジェクトに関するフィードバックはありません。

さまざまな動作条件下で動作します。

参考文献

1.ジャーナル「ModernElectronics」No。6、2006

2.ウェブサイトwww.sensor-com.ru

3.ウェブサイトwww.datchikisensor.ru

4.ミルG.モデルの電子リモコン。 -M.:1980。

5.灰。 J.etal.-測定システムのセンサー-M.:1992。

6. Journal "Components and Technologies" No. 1、2005、AlexanderKrivoruchenkoによる記事「非接触位置センサー。アプリケーションの選択と実践の問題」2005

7.サイトru.wikipedia.org

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