광학 선형 변위 센서. 모션 센서. 커뮤니케이션 및 커뮤니케이션

주제: 선형 및 각도 변위 센서의 작동 연구

목표: 선형 및 각도 변위 센서의 작동 원리, 설계 및 설계에 대해 연구합니다.

운동:

1. 센서의 작동 원리 및 구성 방식을 고려하십시오. 선형 운동: 용량성; 광학; 유도성; 와전류; 초음파; 자기저항; 전위차.

2. 각도 변위 센서의 작동 원리 및 구성 방식을 고려하십시오. 광학; 자기; 자기저항.

3. 작업에 대한 결론을 도출합니다.

이론적인 부분:

변위 센서는 물체의 선형 또는 각도 기계적 움직임의 양을 결정하도록 설계된 장치입니다.

용량형 변위 센서

이 유형의 센서 작동은 커패시터의 정전 용량과 기하학적 구성 간의 관계를 기반으로 합니다. 가장 간단한 경우는 외부의 물리적 영향으로 인한 플레이트 사이의 거리 변화에 대해 이야기하는 것입니다(그림 1). 커패시터의 커패시턴스는 플레이트 사이의 간격 크기에 반비례하므로 다른 알려진 매개변수를 사용하여 커패시턴스를 결정하면 플레이트 사이의 거리를 판단할 수 있습니다. 용량 변화를 기록할 수 있습니다. 다양한 방법으로(예를 들어 임피던스를 측정하여) 그러나 어떤 경우에도 커패시터는 전기 회로에 포함되어야 합니다.

그림 1. 가변 간격 크기를 갖춘 용량성 선형 변위 센서.

출력 매개변수가 다음과 같은 또 다른 회로 전기 용량는 움직이는 유전체가 있는 커패시터를 포함하는 회로입니다(그림 2). 커패시터 플레이트 사이에서 유전체판을 이동하면 커패시턴스가 변경됩니다. 플레이트는 관심 대상에 기계적으로 연결될 수 있으며, 이 경우 정전 용량의 변화는 대상의 움직임을 나타냅니다. 또한 물체 자체가 유전 특성을 갖고 적절한 크기를 갖고 있다면 커패시터의 유전 매체로 직접 사용할 수 있습니다.

그림 2. 움직이는 유전체가 있는 용량성 선형 변위 센서.

광학 모션 센서

다양한 광학 효과를 기반으로 하는 모션 센서 회로에는 다양한 변형이 있습니다. 아마도 가장 널리 사용되는 방법은 광학 삼각 측량 방식입니다. 실제로 위치 센서는 관심 대상까지의 거리를 결정하고, 대상 표면에서 산란된 방사선을 기록하고, 반사 각도를 결정하는 거리 측정기입니다. 길이 d - 물체까지의 거리를 결정할 수 있습니다(그림 3). 대부분의 광학 센서의 중요한 장점은 비접촉식 측정이 가능하다는 것입니다. 또한 이러한 센서는 일반적으로 매우 정확하고 성능이 뛰어납니다.

그림 3. 광학 삼각 측량 방식을 기반으로 한 광학 변위 센서.

작은 움직임과 진동을 기록하고 특성화하도록 설계된 광학 센서의 또 다른 구현은 이중 격자 구조와 광원 및 광검출기를 사용합니다(그림 4). 하나의 그리드는 고정되어 있고, 두 번째 그리드는 이동 가능하며 관심 대상에 기계적으로 고정되거나 그 움직임을 센서에 전송할 수 있습니다. 움직이는 격자의 작은 변위는 광검출기에 의해 기록되는 빛의 강도에 변화를 가져오고, 격자 주기가 감소함에 따라 센서의 정확도는 높아지지만 동적 범위는 좁아집니다.

그림 4. 회절 격자를 기반으로 한 광학 변위 센서.

추가 기능빛의 편광을 고려한 광학 센서에는 응용 분야가 있습니다. 이러한 센서는 표면의 반사 특성을 기반으로 객체를 선택하는 알고리즘을 구현할 수 있습니다. 센서는 반사율이 좋은 물체에만 "주의를 기울일" 수 있으며 다른 물체는 무시됩니다. 물론, 분극에 대한 민감도는 그러한 장치의 비용에 부정적인 영향을 미칩니다.

유도 변위 센서

이러한 유형의 센서 구성 중 하나에서 감지 요소는 이동 코어 변압기입니다. 외부 물체를 움직이면 코어가 움직이고, 이로 인해 변압기의 1차 권선과 2차 권선 사이의 결합 자속이 변경됩니다(그림 5). 2차 권선의 신호 진폭은 쇄교자속에 따라 달라지므로 2차 권선의 진폭을 사용하여 코어 위치와 외부 물체의 위치를 ​​판단할 수 있습니다.

그림 5. 변압기의 유도 변위 센서.

또 다른 구성에는 더 많은 것이 있습니다 간단한 다이어그램그러나 이는 다음에만 적합합니다. 소량강자성 물질로 구성된 물체의 미세한 움직임이나 진동을 감지해야 하는 응용 분야. 이 회로에서 관심 있는 강자성 물체는 자기 회로의 역할을 하며, 그 위치는 측정 코일의 인덕턴스에 영향을 미칩니다(그림 6).

그림 6. 강자성 물질로 만들어진 물체용 유도 변위 센서.

와전류 변위 센서

이 유형의 센서에는 생성기가 포함되어 있습니다. 자기장및 2차 자기장의 유도 크기를 결정하는 레코더. 관심 대상 근처에서 발생기는 자기장을 생성하고, 이 자기장은 대상의 물질을 관통하여 해당 체적에 와전류(푸코 전류)를 생성하고, 이는 다시 2차 자기장을 생성합니다(그림 7). 2차 필드의 매개변수는 레코더에 의해 결정되며 이를 기준으로 물체까지의 거리가 계산됩니다. 물체가 가까울수록 더 큰 자속이 물체의 부피를 관통하여 와전류와 유도가 향상되기 때문입니다. 2차 자기장의. 와전류 결함 탐지기에도 유사한 원리가 사용되지만, 2차 자기장의 매개변수는 물체까지의 거리가 아니라 내부 구조에 숨겨진 결함이 있는지에 따라 영향을 받습니다. 이 방법은 비접촉식이지만 금속 몸체에만 사용할 수 있습니다.

그림 7. 와전류 변위 센서.

초음파 변위 센서

초음파 센서는 레이더의 원리를 구현합니다. 물체에서 반사된 초음파가 기록되므로 블록 다이어그램일반적으로 소형 하우징에 들어 있는 초음파 소스와 레코더(그림 8)로 표시됩니다. 초음파 펄스를 보내고 받는 순간 사이의 시간 지연을 결정하면 10분의 1밀리미터의 정확도로 물체까지의 거리를 측정할 수 있습니다. 광학 센서와 함께 초음파 센서는 아마도 오늘날 가장 다양하고 기술적으로 진보된 비접촉 측정 도구일 것입니다. 이 측정 원리의 사용은 결함 감지 감지기에서 다시 찾을 수 있으며 이번에는 초음파 결함 감지기에서만 찾을 수 있습니다.

그림 8. 초음파 변위 센서.

자기 저항 변위 센서

자기 저항 변위 센서는 종속성을 사용합니다. 전기저항외부 자기장의 유도 방향과 크기에 대한 자기 저항 플레이트. 센서는 일반적으로 다음으로 구성됩니다. 영구 자석그리고 전기 다이어그램, 브리지 회로와 소스를 통해 연결된 자기 저항 플레이트 포함 직류 전압(그림 9). 자기장에서 움직이는 강자성 물질로 구성된 관심 대상은 그 구성을 변경하고 그 결과 플레이트의 저항이 변경되고 브리지 회로는 불일치를 등록하며 그 크기를 판단하는 데 사용할 수 있습니다. 물체의 위치.

그림 9. 자기 저항 변위 센서.

홀 효과 센서

이 유형의 센서는 자기 저항 센서와 설계가 유사하지만 작동은 홀 효과를 기반으로 합니다. 외부 자기장에 노출된 도체를 통해 전류가 흐르면 전위차가 나타납니다. 단면지휘자.

자기변위 센서

일반적으로 자기 변형 센서는 영구 링 자석이 자유롭게 이동할 수 있는 도파관인 확장 채널입니다. 도파관 내부에는 전기 충격이 가해질 때 전체 길이를 따라 자기장을 생성할 수 있는 도체가 있습니다(그림 10). 결과적인 자기장은 영구 자석의 자기장에 추가되고 결과적인 자기장은 도파관을 포함하는 채널의 회전 토크를 생성합니다(바이데만 효과). 회전 펄스는 채널 재료의 음속으로 채널을 따라 양방향으로 전파됩니다. 전기 펄스를 보내는 것과 회전 펄스를 받는 것 사이의 시간 지연을 등록하면 영구 자석까지의 거리를 결정할 수 있습니다. 그 위치를 결정합니다. 채널은 꽤 더 긴 길이(최대 수 미터), 자석의 위치는 수 마이크로미터의 정확도로 결정될 수 있습니다. 자기 변형 센서는 탁월한 반복성, 분해능, 열악한 환경에 대한 견고성 및 온도 변화에 대한 낮은 민감도를 갖추고 있습니다.

그림 10. 자기변위 센서.

전위차 변위 센서

이 유형의 센서는 전위차계를 포함하는 전기 회로를 기반으로 합니다(그림 11). 물체의 선형 움직임으로 인해 전위차계의 저항이 변경됩니다( 가변 저항기). 직류가 전위차계를 통과하면 전압 강하는 저항의 크기에 비례하고 결과적으로 관심 대상의 선형 이동 크기에 비례합니다.

그림 11. 전위차 변위 센서.

기계적 변위 센서와 함께 전위차 센서는 단순성과 저렴한 비용으로 인해 가장 널리 사용되지만, 최근에는 보편적이고 정밀하며 비접촉 측정을 위해 광학 효과를 기반으로 하는 센서의 사용이 증가하고 있습니다.

회전하는 물체의 위치 또는 다른 방식의 컨트롤러(센서) 인코더- 이것 전자기계 장치, 회전축(샤프트)의 위치를 ​​결정할 수 있습니다. 안에 이 장치기계적 움직임은 물체의 위치를 ​​결정하고 샤프트의 회전 각도, 위치 및 회전 방향에 대한 정보를 제공하는 전기 신호로 변환됩니다. 인코더는 길이와 거리를 측정하거나 도구의 움직임을 설정하는 데에도 사용할 수 있습니다.

인코더는 인쇄 산업, 금속 가공, 엘리베이터 기술, 충진 기계, 포장 및 충진 기계, 테스트 벤치는 물론 부품 이동을 정확하게 기록해야 하는 로봇 및 기타 기계에 폭넓게 적용됩니다. 그들은 이전에 널리 퍼진 selsyn을 거의 완전히 대체했습니다.

인코더 유형

증분(증분) 및 절대 유형의 인코더가 구별됩니다.

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러시아 연방 교육 과학부

주립 교육 기관

고등 전문 교육

"리페츠크 주립 기술 대학"

물리학 및 의생명공학과

주제에 대한 교과 과정:

"의료 측정 변환기그리고 전극"

주제: "움직임 및 위치 센서"

완료자: 학생 gr. IM-09-1

Rossikhin A.N.

승인됨: st.pr. 나자로바 V.A.

리페츠크 2011

소개

제조 세계가 점점 자동화됨에 따라 산업용 센서는 생산성과 안전성을 높이는 데 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다.

지난 20년 동안 센서와 거리 측정기는 위치 센서, 변위 센서 등 모든 산업 분야에서 성공적으로 사용되었습니다. 장치의 전자 부품과 기계 부품을 연결하는 링크인 변위 센서 또는 위치 센서는 다양한 프로세스를 자동화하는 장비의 필수 요소가 되었습니다.

이 작업은 비접촉 센서, 즉 유도형, 용량형 및 광학 센서에 전념합니다. 각 유형에는 고유한 장점이 있으며, 약점, 따라서 센서 사용 조건 및 요구 사항에 따라 하나의 유형 또는 다른 유형이 선택됩니다. 비접촉식 센서가 무엇인지, 장점과 사용 예에 ​​대해 설명하겠습니다. 우리 작업에서 우리는 정전용량 센서에 많은 관심을 기울였습니다. 이를 기반으로 제작된 디바이스를 살펴보았습니다.

이에 연구 작업비접촉식 센서에서 데이터를 처리한 결과인 정보가 제공됩니다.

작업 목적: 비접촉 센서의 장치, 작동 원리 및 특징, 작동, 적용의 기본 현상을 연구하고 장점과 단점을 식별합니다.

과제 과학적 연구과학적, 기술적 정보를 수집하고 처리하는 기술을 습득하는 것입니다.

비접촉 센서 유도광학

1. 센서, 일반 정보

센서, 센서(영어 센서에서 유래)는 제어된 양을 사용하기 편리한 신호로 변환하는 시스템의 측정, 신호, 조절 또는 제어 장치의 요소인 제어 시스템, 기본 변환기에 대한 용어입니다.

현재 자동화 제어 시스템 구축에는 다양한 센서가 널리 사용되고 있습니다.

센서는 하나의 요소입니다. 기술 시스템, 장치 또는 프로세스의 측정, 신호, 규제, 제어를 위한 것입니다. 센서는 제어된 양(압력, 온도, 유량, 농도, 주파수, 속도, 변위, 전압, 전류등)을 신호(전기, 광학, 공압)로 변환하여 측정 대상의 상태에 대한 정보를 측정, 전송, 변환, 저장 및 기록하는 데 편리합니다.

역사적으로나 논리적으로 센서는 측정 기술 및 측정 장비예를 들어 온도계, 유량계, 기압계, 자세 표시 장치 등 센서라는 일반 용어는 자동 제어 시스템의 개발과 관련하여 센서-제어 장치-액추에이터-의 일반화된 논리적 개념의 요소로 더욱 강력해졌습니다. 제어 객체. 특별한 경우는 센서를 사용하는 것입니다. 자동 시스템예를 들어 과학 연구 시스템에서 매개변수 등록.

센서 개념의 정의.

두 가지 주요 의미가 널리 발견됩니다.

환경 매개변수를 기술적 용도에 적합한 신호(예: 공압 신호와 같이 성격은 다를 수 있지만 일반적으로 전기)로 변환하는 민감한 요소입니다.

필요에 따라 신호 증폭, 선형화, 교정, 아날로그-디지털 변환 및 제어 시스템에 통합하기 위한 인터페이스를 위한 장치를 포함하여 위의 요소를 기반으로 하는 완전한 제품입니다. 이 경우, 센서의 감지소자 자체를 센서라고 부를 수도 있다.

이러한 의미는 센서 제조업체의 용어 사용과 일치합니다. 첫 번째 경우, 센서는 더 복잡한 전자 장치를 만드는 데 사용되는 서미스터, 포토다이오드 등과 같은 소형의 일반적으로 모놀리식 전자 장치입니다. 두 번째 경우에는 알려진 인터페이스 중 하나를 통해 시스템에 연결된 기능이 완전한 장치입니다. 자동 제어또는 등록. 예를 들어 매트릭스의 포토다이오드 등입니다.

입력(측정) 수량의 유형에 따라 다음이 구별됩니다.

기계적 변위 센서(선형 및 각도),

영적인,

전기 같은,

유량계,

속도 센서,

가속,

온도

압력 등

센서에는 세 가지 클래스가 있습니다.

아날로그 센서, 즉 다음을 생성하는 센서 아날로그 신호, 입력량의 변화에 ​​비례;

펄스열 또는 이진 단어를 생성하는 디지털 센서.

두 가지 레벨의 신호만 생성하는 바이너리(바이너리) 센서: "켜기/끄기"(즉, 0 또는 1); 단순성으로 인해 널리 보급되었습니다.

2. 위치 센서

위치 센서(변위 센서)는 고체나 액체 형태 또는 과립 물질일 수 있는 물체의 위치를 ​​결정하도록 설계된 장치입니다.

위치 센서는 릴레이 또는 논리 회로와 프로그래밍 가능한 컨트롤러를 기반으로 하는 자동화 시스템에 대한 주요 정보 소스입니다. 전체 시스템의 신뢰성은 불안정 요인에 가장 취약한 요소의 신뢰성에 의해 결정됩니다.

위치 센서(변위 센서)는 비접촉식( 유도 센서, 자기, 용량 성, 초음파, 광학) 및 접촉. 두 번째 유형의 주요 대표자는 물체의 회전 각도를 이 각도를 결정할 수 있는 신호로 변환하는 장치인 인코더입니다.

위치 센서(변위 센서)는 출력 유형에 따라 아날로그, 디지털, 이산형(스위치)으로 구분됩니다.

3. 비접촉 센서

비접촉식 센서와 근접 스위치는 물체의 위치를 ​​제어하도록 설계된 산업 자동화 장치입니다. GOST 26430-85에는 "비접촉 스위치"라는 용어가 도입되었습니다. 이후 GOST R 50030.5.2-99는 용어를 "비접촉 센서"로 대체했습니다. 현재 이러한 제품에는 두 용어가 모두 사용됩니다.

그림 1.1. 모습비접촉식 센서

비접촉식 스위치는 영향을 받는 물체가 스위치의 감도 영역에 들어갈 때 스위칭 작동을 수행합니다. 영향을 미치는 물체와 비접촉 스위치의 민감한 요소 사이에 기계적 접촉이 없기 때문에 작동의 높은 신뢰성이 보장됩니다.

그림 1.2. 근접 스위치

단순화된 비접촉식 스위치의 기능 다이어그램은 세 가지 블록으로 구성됩니다.

그림 1.3. 비접촉식 스위치의 기능 다이어그램

영향을 받는 물체가 민감한 요소의 활성 표면에 접근하면 비접촉 스위치가 작동됩니다. 이 경우 스위칭 소자는 회로에서 단락 또는 개방(또는 이 두 동작을 모두 수행)합니다. DC최대 400mA 및 회로 내 교류최대 250mA.

비접촉 위치 센서는 감지 요소의 작동 원리에 따라 유도형, 광학형, 용량형 등으로 분류됩니다.

근접 스위치는 자동화를 위한 기본 장치입니다. 기술적 과정등 다양한 산업

공작기계 건물,

자동차 산업,

기계 공학,

식품산업 등

VB의 광범위한 적용 범위는 다음과 같습니다. 많은 수그들의 도움으로 구현 가능한 기술 솔루션:

물건의 개수를 세고,

물체 위치 제어,

속도 결정,

회전 각도 결정

그리고 훨씬 더.

3.1 유도형 센서

유도형 센서는 기계, 메커니즘, 로봇 등의 작동 부품의 움직임에 대한 정보를 비접촉식으로 수집하도록 설계된 비접촉식 센서입니다. 그리고 이 정보를 전기 신호로 변환합니다.

유도형 센서는 모든 전도성 물체를 인식하고 그에 따라 반응합니다.

유도형 센서는 자동화된 공정 제어 시스템의 문제를 해결하는 데 널리 사용됩니다. 상시 개방 또는 상시 폐쇄 접점으로 수행됩니다.

작동 원리는 센서 내부의 인덕터에 의해 생성된 자기장의 매개변수를 변경하는 것을 기반으로 합니다.

측정되어야 하는 움직임에는 자기 회로의 요소 중 하나가 포함되며, 이로 인해 측정 권선을 통한 자속과 해당 전기 신호가 변경됩니다.

움직이는 요소가 강자성 코어인 경우 병진 운동 또는 회전 중 움직임은 a) 코일의 자체 인덕턴스 계수 변경(가변 인덕턴스) 또는 b) 1차 코일 사이의 결합 계수 변경에서 나타납니다. 및 2차 전압의 변화를 초래하는 변압기(차동 변압기)의 2차 권선.

가변 결합이 있는 변압기에서는 하나의 권선이 다른 고정 권선에 대해 회전할 수 있습니다(그 중 하나는 소스 역할을 하고 다른 하나는 수신기 역할을 합니다). 1차 권선은 인덕터를 형성하고 유도 전류가 있는 2차 권선은 회전 각도(유도 전위차계, 리졸버)에 따라 전압을 생성합니다.

권선의 움직임에 대한 자기 유도 계수 L 또는 상호 유도 M의 의존성은 일반적으로 평범한 선형성을 갖습니다. 선형성은 계수 M과 L을 갖는 두 개의 추가 코일을 차동적으로 포함하여 주어진 움직임에 대해 반대 방향으로 변경하여 비선형성에 대한 부분 보상을 제공함으로써 크게 향상될 수 있습니다.

유도 센서는 푸코 전류로 인한 간섭 및 자기 손실과 손실을 모두 줄이기 위해 주파수가 일반적으로 수십 킬로헤르츠로 제한되는 정현파 전압 소스가 공급되는 회로에 연결됩니다. 측정된 전압 vm은 x(t)를 이동하여 공급 전압 Es cosst의 진폭을 변조하여 얻습니다.

vm = kx(t) Escos(уst + Ф) (1).

때때로 유도성 요소의 변화는 움직임에 비례하여 진동 주파수를 조절하는 역할을 할 수 있습니다. 어떤 경우든 변조 유형에 관계없이 주파수 f는 검출을 용이하게 하기 위해 반송파 주파수보다 훨씬 낮아야 합니다(f

본질적으로 유도형 센서는 외부 전자기장에 민감하고, 다른 한편으로는 외부 전자기장을 스스로 유도할 수 있습니다. 따라서 유도형 센서는 자기 차폐 역할을 하는 케이스 내부에 배치되어야 합니다.

구조

유도형 근접 스위치는 다음과 같은 주요 구성 요소로 구성됩니다.

그림 2.1. 유도 스위치 장치

생성기는 물체와 상호 작용하는 전자기장을 생성합니다.

트리거는 스위칭 중 히스테리시스와 제어 신호 에지의 필요한 지속 시간을 제공합니다.

증폭기는 신호 진폭을 필요한 값으로 증가시킵니다.

LED 표시기는 스위치 상태를 표시하고 성능 모니터링 및 빠른 설정을 제공합니다.

이 화합물은 고체 입자와 물의 침투에 대해 필요한 수준의 보호 기능을 제공합니다.

하우징은 스위치 설치를 보장하고 기계적 영향으로부터 스위치를 보호합니다. 황동 또는 폴리아미드로 제작되었으며 하드웨어 제품이 장착되어 있습니다.

기본 정의.

1. 활성 영역.

비접촉식 유도 스위치의 활성 영역은 센서의 민감한 요소의 자기장이 가장 집중되는 민감한 표면 앞의 영역입니다. 이 표면의 직경은 센서의 직경과 거의 같습니다.

쌀. 2.2. 센서 활성 영역

2. 공칭 감지 거리.

그림 2.3. 공칭 스위칭 거리

공칭 스위칭 거리는 센서 작동 매개변수의 변화, 온도 및 공급 전압의 변화를 고려하지 않은 이론적인 값입니다.

공칭 응답 거리(Sn)는 센서의 주요 매개변수이며, 정격 공급 전압 및 온도에서 주어진 크기에 대해 정규화됩니다. 민감한 요소의 크기가 증가하고 그에 따라 센서의 크기가 증가함에 따라 응답 거리도 증가합니다.

GOST R 50030.5.2-99에 따라 유도형 센서는 보장된 응답 간격 내에서 작동해야 합니다. 즉, 표준화된 표준에 대해 선언된 Sn의 0(즉, 민감한 센서 헤드 표면에서)부터 81% 범위 내에서 작동해야 합니다. 강철 영향 대상.

센서의 반응 간격은 객관적으로 주변 온도에 따라 달라집니다.

일반적으로 센서는 영향을 받는 대상(움직이는 구조 요소)이 장치의 민감한 표면과 평행하게 움직이도록 설치됩니다.

3. 업무 공백.

작동 간격은 허용 가능한 온도 및 전압 한계 내에서 근접 스위치의 안정적인 작동을 보장하는 거리입니다.

그림 2.4. 측정된 간격이 있는 센서 구성

작업 공백에 대한 보정 계수입니다.

보정 계수를 사용하면 영향 대상이 만들어지는 금속에 따라 작동 간격을 결정할 수 있습니다.

오목한 센서(금속에 매립형 설치 가능)와 오목하지 않은 센서가 있습니다. 두 번째 경우에는 센서의 응답 거리가 더 깁니다.

그림은 디스크까지의 거리에 대한 출력 신호의 의존성을 보여줍니다.

그림 2.5. 거리에 따른 출력 신호의 횡방향 근접 센서 의존성.

3.1.1. 가변 인덕턴스 센서

N 턴의 와이어 코일의 자기 유도 계수 L은 이와 관련된 자기 회로의 자기 저항에 따라 달라집니다.

L = N2/R, 여기서 R = .

여기서 m은 투자율이고 S는 윤곽선의 단면적입니다.

자기 회로의 다양한 세그먼트의 단면적이 일정하면,

여기서 lf와 l0는 각각 강자성 물질과 공기 중의 자기장 선의 길이이고, sf와 s0는 자기 회로와 간격의 단면적이며, mf는 강자성 물질의 상대 투자율(약 103h104) 및 mo = 4p 10-7(SI 시스템에서).

측정 가능한 간격이 있는 자기 회로. 일반 공식을 기반으로 자기 유도 계수에 대한 표현식을 쉽게 설정할 수 있습니다.

인덕턴스는 갭 측정에 민감해야 하므로 l0 » lf / mf를 선택해야 하며 여기에서 L에 대한 표현식을 얻습니다.

플레이트의 Dx를 이동하면 간격의 Dl0 = 2Dx가 변경되고 인덕턴스는 새로운 값을 갖습니다.

감도는 플레이트의 초기 위치 l0에 따라 달라집니다. l0이 작을수록 높으며, 이 경우 변위가 l0에 비해 매우 작은 경우에만 감도가 일정한 것으로 간주될 수 있습니다. 이는 이러한 유형의 스트레인 센서의 사용을 밀리미터 단위로 제한합니다.

움직이는 플레이트를 기준으로 대칭적으로 위치한 두 개의 동일한 권선과 코어를 차동 연결하여 감도와 선형성을 향상시킬 수 있습니다.

움직일 수 있는 코어가 있는 코일. 강자성 코어는 위치나 움직임을 측정할 부품에 연결됩니다. 이 코어는 길이 l에 걸쳐 균일한 간격으로 배치된 N 턴의 와이어를 포함하는 권선에 가변 깊이 lf로 잠겨 있습니다(그림 2.6).

쌀. 2.6. 움직이는 코어가 있는 코일의 개략도.

1 - 코일; 2 - 자기 코어.

권선의 자기 유도 계수 L은 코어의 침수 깊이에 따라 달라집니다. L을 계산할 때 인덕턴스는 자체 유도 계수 Lo를 갖는 길이 l0의 공기 충전 인덕턴스와 자체 유도 계수 Lf를 갖는 길이 lf의 철심 인덕턴스의 직렬 조합으로 간주됩니다. 상호 유도 계수는 M입니다.

어디에 상수라고 가정되는 결합 계수가 있습니다.

쌀. 2.7. 이동식 코어가 있는 두 코일의 차동 활성화.

3.2 정전용량형 센서

용량성 센서, 비전기량(액위, 기계적 힘, 압력, 습도 등)을 전기 용량 값으로 변환하는 측정 변환기입니다. 구조적으로 용량성 센서는 평면 평행 또는 원통형 전기 커패시터입니다.

정전식 근접 스위치의 작동 원리

용량성 센서에는 활성 표면을 향해 배치된 커패시터 플레이트 형태의 민감한 요소가 있습니다.

용량성 센서의 작동 원리는 커패시터의 형상 변경(예: 플레이트 사이의 거리 변경) 또는 플레이트 사이의 다양한 재료(전기 전도성 또는 유전체) 배치로 인한 정전용량 변경을 기반으로 합니다. 커패시턴스의 변화는 일반적으로 교류 전기 신호로 변환됩니다.

작동 원리는 크기, 플레이트의 상대 위치 및 플레이트 사이의 매체의 유전 상수에 대한 커패시터의 전기 용량의 의존성을 기반으로 합니다.

2판 플랫 커패시터의 경우 전기 용량은 다음 식으로 결정됩니다.

여기서 e0은 유전 상수입니다. e는 플레이트 사이의 매체의 비유전율입니다. S는 플레이트의 활성 영역입니다. d는 커패시터 플레이트 사이의 거리입니다.

종속성 C(S) 및 C(d)는 기계적 움직임을 커패시턴스의 변화로 변환하는 데 사용됩니다.

모든 물질의 물체에 활성 표면에 접근하면 커패시터의 커패시턴스, 발전기 매개변수가 변경되고 궁극적으로 스위칭 요소가 스위칭됩니다.

용량 성 센서의 설계 및 작동 원리

쌀. 2.8. 용량성 센서 장치

정전식 근접 센서의 기능은 다음과 같습니다.

1. 발전기는 물체와의 상호작용을 위한 전기장을 제공합니다.

2. 복조기는 발생기의 고주파 발진 진폭 변화를 DC 전압 변화로 변환합니다.

3. 트리거는 스위칭 신호 에지의 필요한 기울기와 히스테리시스 값을 제공합니다.

4. 증폭기는 출력 신호를 필요한 값으로 증가시킵니다.

5. LED 표시기는 스위치의 상태를 표시하여 조작성과 빠른 설정을 보장합니다.

6. 이 화합물은 고체 입자와 물의 침투에 대해 필요한 수준의 보호 기능을 제공합니다.

7. 하우징은 스위치 설치를 보장하고 기계적 영향으로부터 스위치를 보호합니다. 황동 또는 폴리아미드로 제작되었으며 하드웨어 제품이 장착되어 있습니다.

용량성 비접촉 센서의 활성 표면은 "펼쳐진" 커패시터의 판으로 생각할 수 있는 두 개의 금속 전극으로 구성됩니다. 전극은 회로에 포함되어 있습니다. 피드백활성 표면 근처에 물체가 없으면 생성되지 않는 방식으로 구성된 고주파 자체 발진기. 정전식 근접 센서의 활성 표면에 접근하면 물체가 전기장으로 들어가고 피드백 정전용량이 변경됩니다. 생성기는 진동을 생성하기 시작하며 물체가 접근함에 따라 진폭이 증가합니다. 진폭은 출력 신호를 생성하는 후속 처리 회로에 의해 추정됩니다. 용량성 비접촉 센서는 전기 전도성 물체와 유전체에 의해 트리거됩니다. 전기 전도성 물질로 만들어진 물체에 노출되면 실제 응답 거리 Sr이 최대가 되고, 유전체로 만들어진 물체에 노출되면 거리 Sr은 물질의 유전율 er에 따라 감소합니다(Sr 의존성 그래프 참조). er 및 재료의 유전 상수 표). 서로 다른 유전 상수를 갖는 서로 다른 재료로 만들어진 물체를 작업할 때 Sr 대 er의 그래프를 사용해야 합니다. 스위치의 기술적 특성에 지정된 공칭 작동 거리(Sn) 및 보장된 노출 간격(Sa)은 접지된 금속 영향 대상(Sr=100%)을 나타냅니다. 실제 감지 거리를 결정하는 비율(Sr): 0.9 Sn< Sr < 1,1 Sn.

그림 2.9. 대상 물질 Er의 유전 상수에 대한 실제 응답 거리 Sr의 의존성

일부 재료의 유전 상수:

용량성 센서는 단극(1개의 커패시터만 포함), 차동(2개의 커패시터 포함) 또는 브리지(여기서는 4개의 커패시터가 이미 사용됨)일 수 있습니다. 차동 또는 브리지 센서의 경우 하나 또는 두 개의 커패시터가 일정하거나 가변적이며 서로 반대 방향으로 연결됩니다.

실제로 전기 전도성 물체의 움직임을 측정할 때 그 표면이 축전기판 역할을 하는 경우가 많습니다. 그림에서. 2.10. 은 커패시터 플레이트 중 하나가 동축 케이블의 중심 도체에 연결되고 다른 플레이트가 물체 자체인 단극 용량형 센서의 개략도를 보여줍니다. 센서 자체 플레이트는 접지된 실드로 둘러싸여 있어 선형성을 향상시키고 가장자리 효과를 줄입니다. 일반적인 정전용량 센서는 3MHz 범위의 주파수에서 작동하며 빠르게 움직이는 물체의 움직임을 감지할 수 있습니다. 전자 인터페이스가 내장된 센서의 주파수 특성은 40kHz 범위입니다.

정전 용량형 근접 센서는 전기 전도성 물체를 다룰 때 매우 효과적이며 전극과 물체 자체 사이의 정전 용량을 측정합니다. 용량성 센서는 비전도성 물체에서도 잘 작동하지만 정확도는 다소 떨어집니다. 전극 근처에 접근하는 모든 물체는 자체 유전 특성을 가지며, 이는 전극과 센서 본체 사이의 정전 용량을 변경하고 결과적으로 물체와 감지기 사이의 거리에 비례하는 출력 신호를 발생시킵니다.

감도를 높이고 가장자리 효과를 줄이기 위해 단극 용량성 센서에 능동 차폐가 사용됩니다. 이 경우 스크린은 전극의 작동하지 않는 쪽 주위에 배치되고 전극의 전압과 동일한 전압이 적용됩니다. 스크린과 전극의 전압은 동일한 진폭과 위상을 갖기 때문에 그들 사이에는 전기장이 없으며 스크린 뒤에 위치한 모든 구성 요소는 센서 작동에 영향을 미치지 않습니다. 이 차폐 방법은 그림 1에 나와 있습니다. 2.11.

그림 2.10. 차폐 링이 있는 용량형 센서, 단면적

쌀. 2.11. 전극 주위에 활성 차폐 장치가 있는 물체까지의 거리를 측정하는 정전식 센서

최근에는 브리지 용량성 변위 센서가 매우 인기를 얻고 있습니다. 그림에서. 2.12. 고정된 거리 d에서 평행하게 위치한 두 그룹의 평면 전극으로 구성된 선형 브리지 용량형 변위 센서를 보여줍니다. 용량을 늘리기 위해 전극 사이의 거리를 아주 작게 만듭니다. 고정 전극 그룹은 4개의 직사각형 요소로 구성되고 이동 가능한 전극 그룹은 2개로 구성됩니다. 6개 요소는 모두 동일한 차원을 갖습니다.

선형성 범위를 늘리려면 각 요소의 크기를 최대한 크게 만드는 것이 좋습니다(여기서는 일반적으로 기계적 강도에 대한 제한이 영향을 미치기 시작합니다). 고정 하위 그룹의 4개 전극은 전선으로 서로 교차 연결되어 용량성 브리지형 회로를 형성합니다.

5~50kHz 주파수의 정현파 전압이 브리지 회로에 공급됩니다. 차동 증폭기는 움직이는 그룹의 전극 쌍 사이의 전압 차이를 증폭합니다. 증폭기의 출력 신호는 동기 검출기의 입력으로 공급됩니다. 커패시터 용량. 두 개의 평행판이 있는 용량성 브리지 유형 센서: A - 그룹 배열 장치, B - 해당 영역 반대편에 위치한 이동판 부분의 영역에 비례하는 서로 공칭 거리의 등가 회로 고정판. 그림에서. 2.12. 용량성 브리지 구성을 갖춘 변위 센서의 등가 회로가 표시됩니다. 용량성 변위 센서는 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 이들은 독립적으로 물체의 위치와 움직임을 결정하는 데 사용될 수도 있고, 다양한 힘, 압력, 온도 등의 영향으로 인해 개별 요소의 움직임이 발생하는 다른 센서의 일부로 사용될 수도 있습니다.

그림 2.12. 브리지 용량형 센서.

3.3 광센서(광전센서)

포토센서는 빛의 강도 변화를 등록하고 이에 반응하는 장치입니다.

아날로그 및 개별 광학 센서가 있습니다. 아날로그 센서의 경우 출력 신호는 주변 조명에 비례하여 달라집니다. 주요 적용 분야는 자동화된 조명 제어 시스템입니다.

디스크리트형 센서는 설정된 조도 값에 도달하면 출력 상태를 반대 상태로 변경합니다.

기계적 접촉 센서와 전위차 센서 다음으로 광학 검출기는 물체의 위치와 움직임을 결정하는 데 가장 널리 사용되는 장치일 것입니다.

광학 동작 센서에는 일반적으로 광원, 광검출기, 빛을 제어하는 ​​장치(렌즈, 거울, 광섬유 등)의 세 가지 구성 요소가 포함됩니다.

쌀. 3.1. 광학 센서 장치.

보호 쉴드 또는 냉각을 사용하는 광학 센서는 가열된 물체의 위치를 ​​지정하거나 계산하는 데 사용됩니다.

GOST R 50030.5.2에 따라 광 근접 스위치는 세 그룹으로 분류됩니다.

T 유형 - 이미 터로부터 직접 빔 수신이 가능합니다.

R 유형 - 반사경에서 반환된 빔을 수신합니다.

D 유형 - 물체에서 확산 반사된 빔을 수신합니다.

T형 광 센서의 특징은 송신기와 수신기가 별도의 하우징에 위치한다는 것입니다. 직접 광선은 방출기에서 수신기로 이동하며 영향을 받는 물체에 의해 차단될 수 있습니다. 송신기와 수신기는 서로 다른 전원으로부터 전력을 받을 수 있습니다. 이미터 표시기는 공급 전압을 나타냅니다. 수신기 표시기는 수신기가 활성화되면 신호를 보냅니다. 스위칭 요소는 수신기에 있습니다.

R형 광 센서는 하나의 하우징에 송신기와 수신기가 들어 있습니다. 수신기는 특수 반사경에서 반사된 방사광을 수신합니다.

D형 광학 센서에는 하나의 하우징에 방출기와 수신기가 들어 있습니다. 수신기는 대상에서 산란적으로 반사된 광선을 수신합니다. 객체는 상대 축을 따라 그리고 특정 각도로 이동할 수 있습니다.

3.3.1 절대 디지털 센서

이는 선형 이동을 위한 랙 또는 각도 이동을 위한 디스크이며 N개의 동일한 영역(랙의 경우 스트립, 디스크의 경우 섹터)으로 나누어지며, 여기에 따라 결정된 위치에 해당하는 이진 단어가 기록됩니다. 코드 및 특정 기술. 패드 수 N은 길이 L cm의 경우 L/N cm, 디스크의 경우 360°/N로 분해능을 결정합니다.

각 단어를 구성하는 모든 n 비트는 0 또는 1의 값을 결정하기 위해 두 가지 다른 물리적 상태를 사용하여 n 병렬(랙의 경우) 또는 동심(디스크의 경우) 트랙(그림)에서 구체화됩니다.

a) 비자화성 또는 강자성 표면(자기 판독)

b) 절연 또는 전도성 표면(전기 감지)

c) 불투명하고 반투명한 표면(광학 판독).

현재 광학 판독이 가장 자주 사용됩니다. 각 트랙에는 소스(전자발광 다이오드)와 수신기(광트랜지스터)가 있습니다.

쌀. 3.3. 자연 바이너리 코드가 포함된 랙 및 디스크.

쌀. 3.3. 그레이 코드가 있는 갈퀴와 디스크.

4. 근접 센서

이 유형의 센서의 경우 장치와 움직이는 물체 사이에 기계적 연결이 없습니다. 그들 사이의 상호 작용(상대적 위치의 함수)은 다음과 같은 역할을 할 수 있는 필드를 통해 설정됩니다.

가변 자기 저항을 갖는 센서의 자기 유도장(홀 효과가 사용됨)

푸코 전류를 사용하는 센서의 전자기장;

용량성 센서의 전자기장.

근접 센서의 장점은 이러한 기계적 연결이 없다는 점입니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

넓은 대역폭;

물체와 센서 사이에 발생하는 힘이 매우 작기 때문에 측정 물체에 대한 충격이 적습니다.

마모되기 쉬운 움직이는 부품이 없거나 간격이 넓어 신뢰성이 향상됩니다.

또한 이러한 센서는 측정 회로와 움직이는 물체의 전기적 절연을 제공합니다.

주요 단점은 다음과 같습니다.

작은, 약 1mm, 측정 범위;

비선형성;

물체와 환경의 모양, 크기, 재료에 대한 일부 판독값의 의존성으로 인해 특정 사용 조건에서 교정이 필요합니다.

근접 센서는 아날로그 모드 또는 디지털 코드 모드에서 사용됩니다. 첫 번째 경우, 신호의 진폭은 물체와 센서의 상대 위치의 연속 함수이며, 두 번째 경우, 신호 레벨은 물체가 더 가깝거나 먼지에 따라 높거나 낮을 수 있습니다. 특정 거리: 후자의 경우 센서를 근접 감지기라고 합니다. 이러한 방식으로 센서를 사용할 때 다음이 결정됩니다.

공칭 범위 - 표준 물체가 센서 축에 접근하여 센서 출력에서 ​​코드 상태를 변경시키는 거리입니다.

차동 또는 히스테리시스 스트로크 - 표준 물체가 센서 축을 따라 접근하는지 또는 멀어지는지에 따라 코드 상태의 변화에 ​​해당하는 거리의 차이입니다.

몇 가지 가능한 응용 분야가 그림 1에 나와 있습니다. 4.1 여기에는 위치 측정 및 안정화가 포함됩니다.

크기 조절;

관성이 낮은 물체의 움직임을 연구합니다.

쌀. 4.1. 근접 센서.

a - 위치; b - 조정; c - 두 좌표를 따라 조정합니다. d - 직경; d - 종방향 및 횡방향 운동; e - 유막 두께; g - 금속 단열재의 두께; h - 금속 두께; 및 - 크기; k, l - 동적 움직임, m - 정적 움직임.

4.1 가변 자기저항을 갖는 유도형 센서

이러한 센서는 움직이는 물체를 포함하는 자기 회로를 갖춘 변압기입니다(그림 4.2). 이 변압기는 강자성체이거나 강자성 표면을 가지고 있어야 합니다.

쌀. 4.2. 가변 자기 저항을 갖춘 근접 센서.

1 - 자기 스크린; 2 - 2차 권선; 3 - 강자성 표면; 4- 1차 권선.

간격으로 작용하는 물체와 센서 헤드 사이의 거리가 자기 회로의 저항을 결정하고, 이에 따라 2차 권선을 통과하는 자속과 1차 권선이 전원에 연결될 때 단자의 전압을 결정합니다. 측정 신호 vm인 2차 권선의 전압은 다음 형식으로 작성된 법칙에 따라 비선형적으로 변화합니다.

여기서 x는 물체로부터 센서까지의 거리이고 vmo와 a는 특히 물체의 투자율, 모양 및 크기에 따라 달라집니다.

두 개의 동일한 센서가 움직이는 물체의 반대쪽에 연결되고 차동 회로에 따라 연결된 경우 주어진 위치에 대한 작은 움직임에 대해 신호가 선형화될 수 있습니다. 1차 권선은 직렬 또는 병렬로 전원이 공급되고 2차 공급 장치는 전압 vm1과 vm2는 역류로 연결됩니다. 이 경우 측정된 전압은 다음과 같습니다.

4.2 푸코 전류를 이용한 유도형 센서

이 유형의 센서의 주요 요소는 주변 공간에 교번 자기장을 발생시키는 고주파로 구동되는 코일입니다. 이 구역에 위치한 금속 물체에서 푸코 전류가 발생합니다. 렌츠의 법칙에 따르면 그들은 그 원인을 보상하려고 노력합니다. 따라서 코일의 부호와 반대 부호의 유도가 발생하여 자체 유도 계수가 감소합니다. 강자성 물체에만 적합한 가변 자기 저항 센서와 달리 푸코 전류 센서는 모든 금속 물체에 민감합니다. 그러나 판독값은 물체까지의 거리뿐 아니라 물체의 물리적 특성(저항률, 투자율) 및 기하학적 특성(모양 및 크기)에 따라 달라집니다. 일반적으로 물체와 센서는 공중에 배치됩니다. 이 장치는 작동 주파수에서 낮은 손실을 특징으로 하는 유전체 매체에도 사용할 수 있습니다.

쌀. 4.3. 코일과 전도성 물체 사이의 유도 결합. 해당 단순화된 전기 다이어그램.

1 - 개체; 2 - 흥미로운 코일.

초등 물리 이론. 이러한 유형의 센서 작동에 대한 단순화된 이론은 금속 물체를 상호 유도에 의해 코일에 연결된 집중 상수 요소가 있는 회로에 비유하여 설명할 수 있습니다(그림 4.3).

1차 회로를 형성하는 코일과 그 전원은 다음 방정식으로 설명됩니다.

그리고 대상(2차 회로) - 방정식에 의해

객체 속성의 영향. 저항력. 물체와의 연결은 1차 인덕턴스에 미치는 영향이 적고 물체의 저항이 더 높습니다. 구성되는 재료의 전도성이 낮아집니다. 이 경우, 움직이는 물체 위에 알루미늄과 같은 전도성이 높은 시트나 코팅을 씌우면 장치의 감도를 향상시킬 수 있습니다.

자기 투자율. 강자성 물체를 코일에 더 가까이 가져가면 두 가지 반대 효과가 발생합니다. 자기 회로의 저항이 감소하면 인덕턴스가 증가하는 경향이 있는 반면 푸코 전류는 인덕턴스를 감소시킵니다. 인덕턴스의 변화 방향은 물체의 투자율과 저항률 값의 비율에 따라 달라집니다.

치수. 푸코 전류의 거의 전체 세트가 표층에 국한되어 있으며 그 두께는 표피층 d보다 약 3배 더 크다고 가정합니다. 표현은 다음과 같습니다.

여기서 m과 y는 각각 물체의 투자율과 전기 전도도이고, f는 코일의 유도 필드의 주파수입니다. 따라서 1MHz의 주파수에서 우리는 d? 알루미늄과 d의 경우 80미크론? 강철의 경우 20미크론.

피부층 두께의 3배 이상이면 센서 반응은 물체의 두께에 의존하지 않습니다. 물체의 가로 치수도 코일의 직경보다 크면 거의 영향을 미치지 않습니다.

측정 회로. 아날로그 센서. 일반적으로 인접한 브리지 암에 위치한 두 번째 인덕턴스는 무작위 영향을 보상하기 위해 측정 인덕턴스에 차등적으로 연결됩니다.

두 번째 인덕턴스는 다음과 같습니다.

움직이는 물체와 동일한 특성을 가진 물체의 고정 모델 옆에 위치한 기준 인덕턴스(이 경우 측정된 신호는 변위의 비선형 함수입니다)

이 물체의 움직임이 두 인덕턴스의 반대 변화를 수반하는 방식으로 물체에 상대적으로 위치한 가변 인덕턴스(이 차동 스위칭 방법을 사용하면 제한된 이동 영역 내에서 센서 특성을 선형화할 수 있습니다).

근접 감지기. 물체까지의 거리가 특정 값보다 크거나 작은지 여부만 물체의 위치를 ​​아는 것으로 충분할 때 인덕턴스는 일반적으로 발전기의 공진 회로에 배치됩니다. 물체에 접근하면 손실이 증가하고 인덕턴스가 감소하여 결과적으로 부하 회로의 품질 계수 Q가 감소합니다. 임계값에 해당하는 Q의 특정 최소값 아래에서는 생성이 중지됩니다. 해당 회로는 이를 감지하고 생성 여부를 신호로 알립니다.

4.3 홀 효과 센서

홀 효과는 유도 필드 B에 배치된 도체의 전류 라인에 수직인 전위차 VH의 출현으로 표현됩니다. 홀 전압 VH는 V의 방향과 크기에 따라 달라집니다. 홀 효과는 이동하는 전하에 작용하는 라플라스 힘의 결과입니다.

홀 효과에 기초한 센서는 전류가 흐르고 가장자리에서 홀 전압이 측정되는 플레이트(보통 반도체) 형태의 프로브와 유도 필드 B를 생성하는 자석을 형성하며, 프로브 영역(예: 전압 VH)의 값은 자석 위치에 따라 달라집니다.

요소 중 하나인 프로브 또는 자석은 고정되어 있고 다른 하나는 움직이는 물체에 연결됩니다. 일반적으로 낮은 레벨의 신호 소스 이동으로 인한 전기 통신 문제를 방지하기 위해 프로브가 고정되어 있습니다. 이 경우 물체의 움직임이 방해받지 않기 위해서는 자석의 질량이 상대적으로 작아야 하므로 유도를 측정할 수 있는 영역이 제한되어 측정 범위가 줄어듭니다.

홀 효과의 초등 물리 이론. 전위차 V가 인가되어 세로 방향으로 전류 I가 발생하는 전도성 직사각형 판(길이 L, 너비 l, 두께 e)을 생각해 보겠습니다(그림 4.4).

쌀. 4.4. 홀 효과에 기반한 프로브의 개략도.

농도 n과 이동도 m의 전자에 의해 전도성이 제공된다고 가정하면 다음과 같습니다.

여기서 c는 저항률, c = 1/qмn(q = 1.6·10-19C), V = ExL, Ex는 세로 전기장이며, 여기서 I = qмnExel입니다.

플레이트는 플레이트 BN의 평면에 수직인 성분을 갖는 유도 필드 B에 배치됩니다. 속도 v로 움직이는 전자에 작용하는 라플라스 힘 FL은 FL = -qvB와 같습니다. 여기서 v = -mEx입니다. 이 힘은 y가 증가하는 방향으로 향하며 크기는 다음과 같습니다.

FL 힘의 작용으로 전자는 y가 증가하는 쪽에서 판의 측면에 축적되어 반대편에 반대 부호의 동일한 전하를 남깁니다. 이러한 전하는 y축에 평행한 전기장 Ey를 생성하고, y가 증가하는 방향으로 향하며 Fy = -qEy의 힘으로 각 전자에 작용합니다. 두 힘이 균형을 이룰 때 평형 상태가 달성됩니다.

홀 전압 VH는 플레이트 폭의 곱에 해당합니다.

또는 현재 I에 대해 이전에 찾은 표현식을 고려하여,

여기서 KH = -1/qn은 홀 상수입니다.

포논에 의한 이동 전하의 산란을 고려하는 보다 엄격한 이론은 이전 표현식 KH에 3p/8을 곱하는 것으로 이어집니다. 일부 일반적인 홀 센서 재료의 크기 순서는 표에 나와 있습니다.

수치적 예. 저항률이 5·10-5 Ohm·m이고 1mA의 전류로 구동되고 104G의 일반 유도 필드에 배치된 0.1mm 두께의 인듐 비소 판에서 3.8mV의 홀 전압이 발생합니다.

홀 상수는 자유 캐리어 밀도에 미치는 영향으로 인해 온도에 따라 달라집니다. 온도 민감도(1/KN)(d KN/dT)는 광범위한 범위에서 재료에 따라 달라지며 1°C당 수 %에 도달할 수 있습니다.

값 B의 함수로 CV가 변경되면 측정 범위의 몇 % 정도의 선형성 편차가 발생할 수 있습니다. 이 비선형성의 부호는 재료에 따라 다릅니다.

센서 디자인. 홀 효과 센서가 직접적으로 민감한 측정량은 자기 유도의 일반 성분 BN입니다. 해당 감도는

감도는 프로브를 통과하는 전류 I에 비례합니다. 이는 프로브의 설계(두께 e 및 KH 계수에 따른 재료 선택)에 따라 달라집니다.

센서를 사용하여 위치나 움직임을 감지하는 경우 유도를 생성하는 자석은 중간 변환기 역할을 하며, 이는 1차 측정량(위치 또는 움직임)의 영향을 받아 센서가 직접 민감한 2차 측정량을 변경합니다. Sx 위치에 대한 민감도는 다음과 같이 주어진다.

Sx 위치에 대한 민감도는 특히 변위 영역에서 유도의 일반 성분의 기울기에 비례합니다. 이 기울기는 자석의 특성과 프로브에 대한 위치에 따라 달라집니다. 일반적으로 이는 상당한 값을 가지며 매우 제한된 영역(1mm 정도)에서만 다소 일정합니다.

재료 선택 기준. 홀 전압은 전류 I에 비례하지만 이 전류는 생성되는 줄 열에 의해 제한되며 이는 전력 손실 Pd에 비례합니다.

Pd 함수에서 홀 전압은 다음과 같이 표현됩니다.

입력 저항이 큰 장치로 측정을 수행하고 제한된 범위 내에서 가열이 보장되도록 소산 전력을 설정하는 경우 /n 항이 최대가 되는 재료를 선택할 필요가 있습니다.

예를 들어 측정이 일치된 저항에서 홀 생성기에 의해 전달되는 전력에 관한 경우 최대값은 다음과 같아야 합니다.

근접 감지기. 이는 히스테리시스 레벨 비교기인 홀 프로브에 슈미트 트리거를 부착하여 구현되며, 이는 각각 상향 또는 하향 변경 여부에 따라 (BN+ 및 BN-)을 허용합니다(그림 4.5). 일반적으로 DBN 히스테리시스는 수십 mT 정도이며 일반적인 배경 유도보다 높기 때문에 이러한 유도로 인해 발생할 수 있는 위양성을 방지합니다.

쌀. 4.5. 홀 효과 기반 근접 검출기 및 상호 작용 특성 분석.

5. 센서의 장점과 단점

5.1 유도형 센서

장점

기계적 마모가 없고 접점 상태와 관련된 고장이 없습니다.

연락처 반송이나 허위 경보가 없습니다.

최대 3000Hz의 높은 스위칭 주파수

기계적 스트레스에 대한 내성

단점 - 상대적으로 낮은 감도, 공급 전압의 주파수에 대한 유도 리액턴스의 의존성, 측정 값에 대한 센서의 상당한 역효과 (코어에 대한 전기자의 인력으로 인해).

5.2 정전용량형 센서

용량성 센서의 장점은 단순성, 높은 감도 및 낮은 관성입니다.

단점 - 외부 전기장의 영향, 측정 장치의 상대적 복잡성.

5.3 광학 센서

장점 - 긴 감지 거리(최대 50m) 덕분에 광학 비접촉 센서는 산업계를 비롯한 다양한 분야에서 폭넓게 응용되고 있습니다.

5.4 초음파 센서

광학적, 전기적 특성에 관계없이 다양한 물체의 위치와 크기를 비접촉식으로 모니터링할 수 있으며 액체 및 벌크 재료로 탱크의 충전 수준을 측정하고 권선 시트의 직경을 모니터링하는 기술 장비에 널리 사용됩니다. 재료 및 기타 문제 해결. 특수 초음파 센서를 사용하면 투명 폴리머 필름, 직물 및 종이의 가장자리 위치와 두께를 확인할 수 있습니다.

초음파 센서의 작동은 압전 효과(전기장이 가해질 때 세라믹 또는 석영 판의 기하학적 치수 변화 및 기계적 영향을 받는 판 표면에 전기장이 나타나는 현상)를 기반으로 합니다. . 적용된 전기장의 주파수(300kHz)에 따른 플레이트의 진동은 동일한 주파수의 음파를 발생시킵니다. 이 파동은 330m/초의 속도로 공기 중에서 이동합니다. 에코처럼 물체에서 반사되어 방사체로 돌아갑니다. 판에 작용함으로써 음파는 그 위에 전기장을 발생시킵니다. 따라서 플레이트는 먼저 초음파 방출기로 작동한 다음 초음파 수신자로 작동합니다. 센서의 응답 범위는 이러한 파동의 방출 전력과 센서가 반사를 기다리는 시간을 변경하여 조절됩니다.

5.5 홀 효과 센서

자석을 운반하는 물체에서 프로브를 분리하는 비강자성 차폐를 통해 위치나 움직임을 측정하는 기능입니다.

6. 센서의 응용

산업에서 위치 및 변위 센서의 적용은 다양합니다. 특히 의학 분야에서는 감마 카메라, 형광투시기, MRI, 초음파, 쇄석기 등의 장치에서 비접촉식 센서를 찾아볼 수 있습니다.

6.1 유도형 센서

유도형 센서는 기계, 메커니즘, 로봇 등의 작동 부품 움직임에 대한 비접촉 정보를 얻는 데 사용됩니다. 그리고 이 정보를 전기 신호로 변환합니다.

CNC 기계, 프레스, 사출 성형기, 컨베이어 라인, 자동 밸브, 포장 기계 등에 설치됩니다.

6.2 정전용량형 센서

용량성 센서는 각도 움직임, 매우 작은 선형 움직임, 진동, 속도 등을 측정하고 지정된 기능(고조파, 톱니파, 직사각형 등)을 재현하는 데 사용됩니다.

유전체 구성의 이동, 변형 또는 변화로 인해 유전 상수 e가 변하는 용량성 변환기는 비전도성 액체, 벌크 및 분말 재료, 비전도성 재료 층의 두께에 대한 레벨 센서로 사용됩니다. , 물질의 습도와 구성을 모니터링합니다.

6.3 광학 센서

광학 센서는 모든 산업 분야에서 물체의 위치를 ​​지정하거나 개수를 계산하는 데 사용됩니다.

포토 센서는 어디에나 존재하며 일상 생활에서 사용됩니다. 그들은 차고 문을 열고 닫는 과정을 제어하고, 싱크대의 물을 비접촉식으로 켜고 끄고, 에스컬레이터의 움직임을 제어하고, 슈퍼마켓의 문을 열고, 사진을 마무리하는 데 도움을 줍니다.

6.4 초음파 센서

걸림 제어

존재 센서

로봇공학용 근접 센서

상자 공허함 제어

컨베이어의 품질 관리

트레이 가용성 제어

실/와이어 파손 등의 제어.

충전 제어

롤 직경 확인

사람 존재 센서

차량 위치 확인, (근접 센서)

결론

과학적 연구에서는 비접촉식 센서의 주요 유형, 작동 기능 및 원리를 조사하고 적용 범위를 고려했습니다.

비접촉식 스위치는 다음과 같은 다양한 산업 분야에서 프로세스 자동화를 위한 기본 장치라고 요약할 수 있습니다.

공작기계 건물,

자동차 산업,

석유화학산업,

기계 공학,

식품산업 등

VB의 이러한 광범위한 응용은 VB의 도움으로 구현될 수 있는 가능한 기술 솔루션이 많기 때문입니다. 개체 수 계산,

물체 위치 제어,

물체의 유무 등록,

크기, 색상 및 기타 물리적 특성에 따라 개체 선택,

속도 결정,

회전 각도 결정

그리고 훨씬 더

비접촉식 스위치의 장점:

높은 신뢰성;

입력 값에 대한 출력 값의 명확한 의존성;

시간 경과에 따른 특성의 안정성;

작은 크기와 무게;

물체에 충격이 가해지지 않습니다.

다양한 작동 조건에서 작업하십시오.

참고자료

1. 잡지 "Modern Electronics" 2006년 6호

2. 웹사이트 www.sensor-com.ru

3. 웹사이트 www.datchikisensor.ru

4. Mil G. 모델의 전자 원격 제어. -M.: 1980.

5. 애쉬. Zh. 등 - 측정 시스템 센서 - M.: 1992.

6. 잡지 "구성 요소 및 기술" 2005년 1호, Alexander Krivoruchenko의 기사 "비접촉 위치 센서. 선발 및 적용실천의 문제점" 2005

7. 웹사이트 ru.wikipedia.org

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