Principiul de funcționare al senzorilor inductivi de deplasare. Senzori de miscare

Este ușor să trimiți munca ta bună la baza de cunoștințe. Utilizați formularul de mai jos

Loc de muncă bun la site">

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

Postat pe http://www.allbest.ru/

Introducere

Introducere

Un senzor de deplasare este un dispozitiv conceput pentru a determina cantitatea de mișcare mecanică liniară sau unghiulară a unui obiect. Desigur, astfel de dispozitive au un număr colosal de aplicații practice într-o mare varietate de domenii, așa că există multe clase de senzori de mișcare care diferă prin principiul de funcționare, precizie, preț și alți parametri. Trebuie remarcat imediat că toți senzorii de deplasare pot fi împărțiți în două categorii principale - senzori mișcare liniarăși senzori de deplasare unghiulară (encodere).

Conform principiului de funcționare, senzorii de deplasare pot fi:

· capacitiv;

· optice;

· inductiv;

· curent turbionar;

· ultrasunete;

magnetorezistiv;

· potențiometric;

· magnetostrictiv;

· bazat pe efectul Hall.

1. Senzori capacitivi de deplasare

Funcționarea senzorilor de acest tip se bazează pe relația dintre capacitatea condensatorului și configurația geometrică a acestuia. În cel mai simplu caz, vorbim despre o modificare a distanței dintre plăci datorită influenței fizice externe (Figura 1). Deoarece capacitatea condensatorului variază invers proporțional cu dimensiunea spațiului dintre plăci, determinarea capacității cu alți parametri cunoscuți ne permite să judecăm distanța dintre plăci. Modificările de capacitate pot fi înregistrate în diverse moduri(de exemplu, prin măsurarea impedanței sale), totuși, în orice caz, condensatorul trebuie inclus în circuitul electric.

Figura 1 - Senzor capacitiv de deplasare liniară cu dimensiune variabilă a spațiului

Un alt circuit în care este parametrul de ieșire capacitate electrică, este un circuit care conține un condensator cu un dielectric în mișcare (Figura 2). Deplasarea plăcii dielectrice între plăcile condensatorului duce, de asemenea, la o schimbare a capacității sale. Placa poate fi conectată mecanic la obiectul de interes, caz în care modificarea capacității indică mișcarea obiectului. În plus, dacă obiectul în sine are proprietăți dielectrice și are dimensiuni adecvate, acesta poate fi utilizat direct ca mediu dielectric într-un condensator.

Figura 2 - Senzor de deplasare liniar capacitiv cu un dielectric mobil

Aplicațiile posibile ale senzorilor capacitivi sunt extrem de diverse. Sunt utilizate în sistemele de reglare și control pentru procesele de producție din aproape toate industriile. Senzorii capacitivi sunt utilizați pentru controlul umplerii rezervoarelor cu substanțe lichide, pulverulente sau granulare, ca întrerupătoare de limită pe linii automate, transportoare, roboți, centre de prelucrare, mașini-unelte, în sisteme de alarmă, pentru poziționarea diverselor mecanisme etc.

În prezent, cei mai folosiți sunt senzorii de proximitate (prezență), care, pe lângă fiabilitatea lor, au o gamă largă de avantaje. Având un cost relativ scăzut, senzorii de proximitate acoperă o gamă largă de aplicații în toate industriile. Aplicațiile tipice pentru acest tip de senzori capacitivi sunt:

1) alarma pentru umplerea recipientelor din plastic sau sticla;

2) controlul nivelului de umplere al pachetelor transparente;

3) alarmă de rupere a firului de înfășurare;

4) reglarea tensiunii curelei;

5) factură bucată de orice tip etc.

Senzorii capacitivi de deplasare liniara si unghiulara sunt cele mai comune dispozitive, utilizate pe scara larga in inginerie mecanica si transport, constructii si energie, in diverse sisteme de masura.

Dispozitive relativ noi, aduse la uz industrial pe scară largă în ultimii ani, au devenit inclinometre capacitive de dimensiuni mici cu un semnal electric de ieșire proporțional cu unghiul de înclinare al senzorului. Următoarele domenii de aplicare ale inclinometrelor pot fi considerate ca fiind principale: utilizarea în sistemele de nivelare a platformelor, determinarea mărimii deformațiilor și deformațiilor diferitelor tipuri de suporturi și grinzi, monitorizarea unghiurilor de înclinare ale automobilelor și căi ferateîn timpul construcției, reparației și exploatării acestora, determinarea rolului de mașini, nave și roboți subacvatici, ascensoare și macarale, excavatoare, mașini agricole, determinarea mișcării unghiulare a diferitelor tipuri de obiecte rotative - arbori, roți, mecanisme de angrenare pe ambele staționare și obiecte în mișcare.

Senzorii capacitivi de nivel sunt utilizați în sistemele de monitorizare, reglare și control pentru procesele de producție din industria alimentară, farmaceutică, chimică și de rafinare a petrolului. Sunt eficiente atunci când lucrați cu lichide, materiale vrac, celuloză, substanțe vâscoase (conductoare și neconductoare), precum și în condiții de condensare și praf.

Senzorii capacitivi sunt utilizați și în diverse industrii pentru a măsura presiunea absolută și manometrică, grosimea materialelor dielectrice, umiditatea aerului, deformarea, accelerațiile unghiulare și liniare etc.

Senzorii capacitivi au o serie de avantaje față de alte tipuri de senzori. Avantajele lor includ: ușurința în fabricație, utilizarea materialelor ieftine pentru producție; - dimensiuni si greutate reduse; - consum redus de energie; - sensibilitate mare; lipsa contactelor (în unele cazuri - doar colectarea curentă); durată lungă de viață; necesitatea unui efort foarte mic pentru deplasarea părții mobile a senzorului capacitiv; ușurința de adaptare a formei senzorului la diverse sarcini și design.

Dezavantajele senzorilor capacitivi includ: un coeficient de transmisie (conversie) relativ scăzut; cerințe ridicate pentru ecranarea pieselor; necesitatea de a lucra la o frecventa mai mare (fata de 50 Hz).

Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, este posibil să se obțină o ecranare suficientă datorită designului senzorului, iar practica arată că senzorii capacitivi oferă rezultate bune la frecventa larg utilizata de 400 Hz. Efectul de margine inerent condensatoarelor devine semnificativ numai atunci când distanța dintre plăci este comparabilă cu dimensiunile liniare ale suprafețelor în cauză. Acest efect poate fi eliminat într-o oarecare măsură prin utilizarea unui inel de protecție, care permite ca influența acestuia să fie transferată dincolo de limitele suprafeței plăcilor utilizate efectiv în măsurare.

2. Senzori optici de mișcare

Există multe variații ale circuitelor senzorilor de mișcare bazate pe diferite efecte optice. Poate cea mai populară este schema de triangulare optică - senzorul de poziție este, de fapt, un telemetru care determină distanța până la un obiect de interes, înregistrând radiația împrăștiată de suprafața obiectului și determinând unghiul de reflexie, ceea ce îl face posibil să se determine lungimea d - distanța până la obiect (Figura 3). Un avantaj important al majorității senzorilor optici este capacitatea de a face măsurători fără contact în plus, astfel de senzori sunt de obicei destul de precisi și au performanțe ridicate;

Figura 3 - Senzor de deplasare optică bazat pe schema de triangulare optică

O altă implementare a unui senzor optic, concepută pentru a înregistra și caracteriza mișcările și vibrațiile mici, folosește o structură dublă grătar, precum și o sursă de lumină și un fotodetector (Figura 4). O grilă este staționară, a doua este mobilă și poate fi fixată mecanic de obiectul de interes sau poate transmite într-un fel mișcarea acestuia la senzor. O mică deplasare a rețelei în mișcare duce la o modificare a intensității luminii înregistrate de fotodetector, iar odată cu scăderea perioadei de rețea, precizia senzorului crește, dar intervalul său dinamic se îngustează.

Figura 4 - Senzor de deplasare optică bazat pe rețele de difracție

Senzorii optici care țin cont de polarizarea luminii au posibilități suplimentare de aplicare. Astfel de senzori pot implementa un algoritm pentru selectarea obiectelor pe baza proprietăților reflectorizante ale suprafeței, de exemplu. senzorul poate „acorda atenție” doar obiectelor cu reflectivitate bună, alte obiecte sunt ignorate. Desigur, sensibilitatea la polarizare afectează negativ costul unor astfel de dispozitive.

Contoarele optice de distanță sunt un tip de senzori fără contact, deoarece nu există un contact mecanic între senzor și obiectul de influență. Această proprietate a dispozitivelor le determină utilizare activă V sisteme automate management. Gama lor este mult mai mare decât cea a altor tipuri de senzori fără contact.

Senzorii optici sunt folosiți pe scară largă pentru a determina numărul de obiecte, prezența etichetelor, inscripțiilor, autocolantelor, etichetelor pe suprafața lor, sortarea și poziționarea obiectelor.

Contoarele optice de distanță vă permit să controlați distanța și sunt instalate în dispozitive telecomandași alte sisteme automatizate.

3. Senzori inductivi de deplasare

Într-o configurație a acestui tip de senzor, elementul de detectare este un transformator cu miez mobil. Mișcarea unui obiect extern face ca miezul să se miște, ceea ce provoacă o modificare a legăturii fluxului dintre înfășurările primare și secundare ale transformatorului (Figura 5). Deoarece amplitudinea semnalului în înfășurarea secundară depinde de legătura fluxului, amplitudinea înfășurării secundare poate fi utilizată pentru a judeca poziția miezului și, prin urmare, poziția obiectului extern.

Figura 5 - Senzor inductiv de deplasare pe un transformator

O altă configurație are mai multe schema simpla, cu toate acestea, este potrivit doar pentru cantitate mica aplicații în care este necesară detectarea mișcărilor sau vibrațiilor minore ale obiectelor constând din material feromagnetic. În acest circuit, obiectul feromagnetic de interes joacă rolul unui circuit magnetic, a cărui poziție afectează inductanța bobinei de măsurare (Figura 6).

Schema unui senzor inductiv de deplasare pentru obiecte din materiale feromagnetice

Figura 6 - Senzor inductiv de deplasare pentru obiecte din materiale feromagnetice

4. Senzori de deplasare cu curent Eddy

Senzorii de acest tip conțin un generator câmp magneticși un înregistrator, cu ajutorul căruia se determină mărimea inducției câmpurilor magnetice secundare. În apropierea obiectului de interes, generatorul creează un câmp magnetic, care, pătrunzând în materialul obiectului, generează curenți turbionari (curenți Foucault) în volumul acestuia, care, la rândul lor, creează un câmp magnetic secundar (Figura 7). Parametrii câmpului secundar sunt determinați de înregistrator, iar pe baza lor se calculează distanța până la obiect, deoarece cu cât obiectul este mai aproape, cu atât fluxul magnetic va pătrunde în volum mai mare, ceea ce va spori curenții turbionari și inducția. a câmpului magnetic secundar. Un principiu similar este utilizat în detectoarele de defecte cu curent turbionar, cu toate acestea, acolo parametrii câmpului magnetic secundar sunt afectați nu de distanța până la obiect, ci de prezența imperfecțiunilor ascunse în structura sa internă. Metoda este fără contact, dar poate fi folosită numai pentru corpuri metalice.

Primii senzori de distanță au furnizat informații doar despre prezența sau prezența unui obiect în fața dispozitivului sub forma unui semnal de pornire/oprire. Acești senzori simpli de etichetă sunt încă utilizați în diverse industrii astăzi.

Între timp, pentru a rezolva probleme mai complexe de automatizare a proceselor tehnice, sunt necesare informații suplimentare despre poziția obiectelor de măsurare. În acest scop, au fost dezvoltați senzori de etichetă care fac posibilă determinarea distanței până la obiectul studiat și a poziției acestuia folosind o ieșire analogică, la care semnalul este proporțional cu distanța până la obiect. Astfel de senzori sunt utilizați pentru măsurarea înclinării, diametrului și grosimii și în timpul alinierii.

Distametrele inductive determină distanța până la obiectele metalice conductoare, cum ar fi alamă, aluminiu, oțel. Deoarece principiul de funcționare al unor astfel de senzori se bazează pe determinarea curenților de inducție reciprocă, senzorii de acest tip sunt foarte rezistenți la influența interferențelor nemetalice și a obiectelor.

Figura 7 - Senzor de deplasare cu curent Eddy

Traductoarele de curenți turbionari (senzori de curenți turbionari) sunt proiectate pentru măsurarea fără contact a vibrațiilor, mișcării și frecvenței de rotație a obiectelor conductoare de electricitate. Acestea sunt utilizate pentru a diagnostica starea turbinelor industriale, compresoarelor și motoarelor electrice. Cel mai adesea, obiectul controlului este deplasarea axială și vibrația radială a arborelui rotorului față de carcasă.

Domeniul prioritar pentru utilizarea traductoarelor de curenți turbionari este controlul deplasării axiale și al curbei laterale a arborilor turbinelor mari, compresoarelor și motoarelor electrice care utilizează rulmenți alți. Utilizarea senzorilor de viteză și accelerație în aceste scopuri, deși acceptabilă, este nejustificată, deoarece datorită scăderii coeficientului de proporționalitate dintre deplasarea vibrațiilor rotorului și suportul la viteze mici de rotație, precum și a unei semnificative (3.. .10 ori) slăbirea vibrației rotorului de către corpul masiv al instalației, rezultatul va avea o eroare mare. Metoda curenților turbionari, dimpotrivă, are o acuratețe excepțională, deoarece nu numai că are nu limita inferioarăîn frecvență, dar nu necesită prelucrarea matematică a rezultatelor măsurătorilor datorită corespondenței directe a semnalului de ieșire cu deplasarea curentă a arborelui sau a gulerului de măsurare în raport cu carcasă.

La turbinele mici, generatoarele si compresoarele, unde se folosesc rulmenti de rulare si masa carcasei este relativ mica, este recomandabil sa se utilizeze senzori de viteza si acceleratie amplasati pe corpul mecanismului pentru a masura vibratia arborelui.

5. Senzori de deplasare cu ultrasunete

Senzorii cu ultrasunete implementează principiul radar - undele ultrasonice reflectate de un obiect sunt înregistrate, prin urmare diagrama structurală este de obicei reprezentată de o sursă de unde ultrasonice și un înregistrator (Figura 8), care sunt de obicei închise într-o carcasă compactă. Determinarea intervalului de timp dintre momentele de trimitere și primire a unui impuls ultrasonic vă permite să măsurați distanța până la un obiect cu o precizie de zecimi de milimetru. Alături de senzorii optici, senzorii cu ultrasunete sunt poate cel mai versatil și cel mai avansat instrument de măsurare fără contact în prezent. Utilizarea acestui principiu de măsurare poate fi găsită din nou în detectoarele de detectare a defectelor, doar de această dată în detectoarele de defecte cu ultrasunete.

Circuitul senzorului de deplasare cu ultrasunete

Figura 8 - Senzor de deplasare cu ultrasunete

6. Senzori de deplasare magnetorezistivi

Senzorii de deplasare magnetorezistiv folosesc dependența rezistenta electrica plăci magnetorezistive pe direcția și mărimea inducției câmpului magnetic extern. Senzorul constă de obicei din magnet permanentși un circuit electric care conține plăci magnetorezistive conectate printr-un circuit în punte și o sursă tensiune DC(Figura 9). Un obiect de interes, constând dintr-un material feromagnetic, care se mișcă într-un câmp magnetic, își schimbă configurația, în urma căreia rezistența plăcilor se modifică, iar circuitul punții înregistrează o nepotrivire, a cărei mărime poate fi folosită pentru a judeca pozitia obiectului.

Senzorii cu ultrasunete pot detecta obiecte solide, lichide, granulare și pulverulente.

Obiectele cu o valoare a rugozității suprafeței mai mare de 0,15 mm au avantajul că suprafața lor nu trebuie să fie îndreptată direct către senzorul în sine, dar domeniul lor de funcționare este redus.

Culoarea obiectului nu are efect asupra distanței de detectare; De asemenea, obiectele transparente din sticlă sau plexiglas sunt detectate în mod fiabil. Temperatura obiectului afectează domeniul de funcționare: suprafețele fierbinți reflectă sunetul mai rău decât cele reci.

Suprafețele lichidelor reflectă sunetul ca niște corpuri solide, netede. Acordați atenție orientării corecte a senzorului. Țesăturile, materialele plastice spumă, vata etc. absorb sunetul. Intervalul de operare devine astfel mai mic.

Figura 9 - Senzori de deplasare magnetorezistiv

În circuitul podului, o pereche de elemente de punte diagonală include benzi de șunt, care sunt situate la un unghi de +45? față de axa benzii, cealaltă pereche - la un unghi de -45?. O creștere a rezistenței unei perechi de rezistențe sub influența unui câmp corespunde unei scăderi egale a celei de-a doua perechi. Semnalul diferențial rezultat este o funcție liniară a amplitudinii câmpului magnetic extern normal cu axa benzii în planul său.

Pentru a crește sensibilitatea senzorului, fiecare braț al punții cu jumperi din aluminiu este format din mai multe filme magnetorezistive, orientate paralel pe substrat ca un labirint.

Prin urmare, senzorii punte cu benzi zimțate sunt recomandați pentru multe măsurători - viteză, unghiuri, curent și sunt, de asemenea, potriviți pentru măsurători de câmp slab. Avantajele unor astfel de convertoare sunt: ​​sensibilitatea ridicată, liniaritatea și capacitatea de a determina direcția câmpului.

Concurenții senzorilor magnetorezistivi în sarcinile de măsurare a vitezei, poziției și curentului sunt senzorii Hall. Dacă comparăm acești senzori, cei magnetorezistivi au o serie de avantaje:

1) direcția câmpului acționează în locul mărimii câmpului, ca în efectul Hall - o selecție largă de magneți pentru măsurători, indiferent de magnetizarea lor remanentă (dar în limitele valorilor câmpului saturant);

2) funcționarea în zona de saturație a intensității câmpului senzorului înseamnă independență de deriva magnetică în timp și sub influența temperaturii; independență față de toleranțele mecanice (distanța dintre magnet și senzor); independența față de efectele temperaturii datorită calculului funcției arctangente în măsurători unghiulare;

3) polarizare scăzută a magnetoresistorilor punte;

4) Senzorii de punte magnetorezistiv, după compensare, sunt stabili la temperatură și au o gamă largă (-40...160? C).

Aceste avantaje sunt utile în special în aplicațiile auto, în condiții dure de funcționare, care se caracterizează prin poluare crescută, schimbări de temperatură și vibrații mecanice crescute. Sensibilitate ridicată permite utilizarea acestor senzori pentru măsurarea câmpurilor slabe în sistemele de navigație, unde efectul Hall nu este de obicei utilizat.

7. Senzori cu efect Hall

Senzorii de acest tip au un design similar cu cel al senzorilor magnetorezistivi, dar funcționarea lor se bazează pe efectul Hall - trecerea curentului printr-un conductor care este expus unui câmp magnetic extern duce la apariția unei diferențe de potențial în secţiune transversală conductor.

Senzorii Hall sunt utilizați pe scară largă în diverse domenii ale industriei moderne, de exemplu, în inginerie mecanică, electronică auto și aviație. Spre deosebire de sistemele mecanice și optice, senzorii Hall au un avantaj important - sunt insensibili la influențele mecanice și modificările parametrilor mediu, asigurând în același timp minimizarea costurilor soluție gata făcută. Cei mai folosiți sunt așa-numiții senzori Hall cheie, adică. astfel de senzori, a căror ieșire își schimbă starea logică atunci când intensitatea câmpului magnetic depășește o anumită valoare. Cu toate acestea, există o clasă separată de circuite integrate cu un element Hall, care poate extinde în mod semnificativ domeniul de aplicare. Vorbim despre așa-numiții senzori Hall liniari. Dintre domeniile de aplicare ale senzorilor Hall liniari, se pot distinge două dintre cele mai comune. Acestea sunt dispozitive pentru măsurarea mișcării liniare sau unghiulare și măsurarea curentului electric. În cele mai multe cazuri, pentru a măsura mișcarea obiectelor pe care le folosesc senzori liniari Sala împreună cu magneți permanenți. Acest lucru se datorează faptului că pentru a menține liniaritatea maximă este necesar să se asigure o modificare mare a câmpului magnetic atunci când distanța dintre senzor și punctul de referință de pe obiectul în mișcare se modifică. Dependența liniară și izolarea de curentul măsurat fac din senzorul de curent liniar un circuit ideal pentru monitorizarea motorului. Ieșirea circuitului integrat senzor Hall este proporțională cu curentul din conductor, semnalul liniar de ieșire reproduce cu exactitate forma curentului măsurat. Trebuie remarcat faptul că un senzor de curent liniar determină mărimea câmpului magnetic creat de curentul care curge, dar nu și curentul în sine. Forma tensiunii la ieșirea senzorului Hall corespunde formei curentului măsurat. Designul asigură izolarea senzorului și garantează funcționarea normală la curent ridicat sau înaltă tensiune. În plus, trebuie să ne amintim că senzorii de curent ar trebui utilizați în intervalul de valori apropiate de maxim, deoarece aceasta reduce influența zgomotului.

8. Senzori de deplasare magnetostrictivi

De regulă, un senzor magnetostrictiv este un canal extins - un ghid de undă, de-a lungul căruia un magnet inel permanent se poate mișca liber. În interiorul ghidului de undă există un conductor care, atunci când i se aplică impulsuri electrice, poate crea un câmp magnetic pe toată lungimea sa (Figura 10). Câmpul magnetic rezultat este adăugat câmpului unui magnet permanent, iar câmpul rezultat creează un cuplu de rotație al canalului care conține ghidul de undă (efectul Weidemann). Impulsurile de rotație se propagă de-a lungul canalului în ambele direcții la viteza sunetului materialului canalului. Înregistrarea intervalului de timp dintre trimiterea unui impuls electric și primirea unui impuls de rotație face posibilă determinarea distanței până la magnetul permanent, adică determina pozitia acestuia. Canalul poate avea destul lungime mai mare(până la câțiva metri), iar poziția magnetului poate fi determinată cu o precizie de câțiva micrometri. Senzorii magnetostrictivi au o repetabilitate excelentă, rezoluție, robustețe la medii dure și sensibilitate scăzută la schimbările de temperatură.

Diagrama unui senzor de deplasare magnetostrictiv

Figura 10. Senzor de deplasare magnetostrictiv.

Magnetostricția - modificarea dimensiunii și formei corp cristalinîn timpul magnetizării - cauzată de o schimbare a stării energetice a rețelei cristaline într-un câmp magnetic și, ca urmare, a distanțelor dintre nodurile rețelei. Cele mai mari valori magnetostricția ajunge în fero- și feritomagneți, în care interacțiunea magnetică a particulelor este deosebit de puternică.

Traductoarele magnetostrictive transformă energia câmpului magnetic în energie mecanică (sonică sau ultrasonică). Acțiunea lor se bazează pe efectul magnetoelastic, adică. pe faptul că unele metale (fier, nichel, cobalt) și aliajele lor sunt deformate într-un câmp magnetic. Feritele (materiale sinterizate dintr-un amestec de oxid de fier cu oxizi de nichel, cupru, cobalt și alte metale) au, de asemenea, proprietăți magnetoelastice pronunțate. Dacă o tijă magnetoelastică este plasată de-a lungul unui câmp magnetic alternativ, atunci această tijă se va scurta și prelungi alternativ, adică. experimentează vibrații mecanice cu o frecvență a unui câmp magnetic alternativ și o amplitudine proporțională cu inducerea acestuia. Vibrațiile traductorului excită unde ultrasunete de aceeași frecvență în mediul solid sau lichid cu care intră în contact. De obicei, astfel de convertoare funcționează la frecvența naturală a vibrațiilor mecanice, deoarece este cea mai eficientă în transformarea energiei dintr-o formă în alta. Traductoarele magnetostrictive din tablă subțire funcționează cel mai bine în intervalul de ultrasunete de joasă frecvență de la 20 la 50 kHz, la frecvențe de peste 100 kHz au o eficiență foarte scăzută.

În practică, se folosesc două tipuri de traductoare magnetostrictive: tijă și inel, din aliaje magnetice sau ferite. Aliajele metalice sunt utilizate pentru fabricarea traductoarelor magnetostrictive puternice, deoarece au caracteristici de rezistență ridicată. Cu toate acestea, conductivitatea electrică ridicată a aliajelor provoacă, pe lângă pierderile datorate inversării magnetizării, pierderi semnificative datorate curenților macro-turbionari, sau curenților Foucault. Prin urmare, convertoarele sunt realizate sub forma unui pachet de plăci cu o grosime de (0,1 x 0,2) mm. Pierderile semnificative determină eficiența relativ scăzută a unor astfel de convertoare (40% h 50%) și nevoia de răcire cu apă. Convertizoarele din ferită au o eficiență mai mare (70%), deoarece cu rezistență electrică mare nu prezintă pierderi din cauza curenților Foucault, dar caracteristicile lor de putere sunt foarte limitate datorită rezistenței mecanice scăzute.

Peste tot în lume, senzorii de deplasare liniară (sau așa cum se mai numesc: senzori de poziție liniară, senzori și contoare de cale) bazați pe efectul de magnetostricție au fost utilizați cu succes timp de două decenii.

9. Senzori potențiometrici de deplasare

Acest tip de senzor se bazează pe un circuit electric care conține un potențiometru (Figura 11). Mișcarea liniară a unui obiect determină modificarea rezistenței potențiometrului (rezistor variabil). Dacă trece un curent continuu prin potențiometru, atunci căderea de tensiune pe acesta va fi proporțională cu mărimea rezistenței și, în consecință, cu mărimea mișcării liniare a obiectului de interes.

Circuitul senzorului potențiometric de deplasare

Figura 11. Senzor potențiometric de deplasare.

Senzorul potențiometric este rezistor variabil, căruia i se aplică tensiunea de alimentare, valoarea sa de intrare este mișcarea liniară sau unghiulară a contactului de colectare a curentului, iar valoarea de ieșire este tensiunea îndepărtată din acest contact, schimbându-se în valoare pe măsură ce poziția acestuia se schimbă.

Conform metodei de realizare a rezistenței, senzorii potențiometrici sunt împărțiți în

· lamelar cu rezistenta constanta;

· sarma cu infasurare continua;

· cu un strat rezistiv.

Senzorii potențiometrici lamelari au fost utilizați pentru a efectua măsurători relativ grosiere din cauza anumitor limitări de proiectare.

În astfel de senzori rezistențe fixe, selectate in functie de valoarea nominala in mod special, sunt lipite de lamele.

Lamela este o structură cu elemente conductoare și neconductoare alternative de-a lungul căreia alunecă contactul colector de curent (Figura 11). Când colectorul de curent se deplasează de la un element conductor la altul, rezistența totală a rezistențelor conectate la acesta se modifică cu valoarea corespunzătoare valorii nominale a unei rezistențe. Modificările rezistenței pot apărea pe o gamă largă. Eroarea de măsurare este determinată de dimensiunea plăcuțelor de contact.

Figura 11 Senzor potențiometric lamelă

Senzorii potențiometrici cu fir sunt proiectați pentru măsurători mai precise. De regulă, desenele lor sunt un cadru din getinax, textolit sau ceramică, pe care un fir subțire este înfășurat într-un strat, rând pe rând, de-a lungul suprafeței curățate a căreia alunecă un colector de curent.

Diametrul firului determină clasa de precizie a senzorului potențiometric (înalt 0,03-0,1 mm, mic 0,1-0,4 mm). Materiale de sârmă: manganin, fechral, ​​aliaje pe bază de metale nobile. Colectorul de curent este realizat dintr-un material mai moale pentru a preveni frecarea firului.

Avantajele senzorilor potențiometrici: simplitatea designului; dimensiuni și greutate reduse; grad ridicat de liniaritate a caracteristicilor statice; stabilitatea caracteristicilor; posibilitatea de a lucra pe curent alternativ și continuu.

Dezavantajele senzorilor potențiometrici: prezența unui contact de alunecare, care poate provoca defecțiuni din cauza oxidării căii de contact, frecarea turelor sau îndoirea glisorului; eroare de funcționare din cauza sarcinii; factor de conversie relativ mic; prag de sensibilitate ridicat; prezența zgomotului; susceptibilitate la eroziune electrică sub influența descărcărilor pulsate.

Postat pe Allbest.ru

Documente similare

Proprietățile traductoarelor inductive, capacitive, magnetostrictive, reostate și Hall. Cerințe de bază pentru convertor, principiul funcționării acestuia. Calculul funcției de conversie, sensibilitate, parametri de bază și eroare.

lucrare curs, adaugat 29.07.2013


Principiul efectului Faraday în funcționarea senzorilor de curent cu fibră optică. Dezvoltarea și cercetarea fibrelor optice microstructurate. Comparație dintre senzorul cu fibră optică și transformatorul de curent. Aplicații potențiale ale senzorilor de curent cu fibră optică.

rezumat, adăugat 11.12.2015


Concept și caracteristici funcționale senzori potențiometrici, varietățile și caracteristicile lor distinctive, scopul și principiul de funcționare. Caracteristicile statice și dinamice ale senzorului potențiometric liniar, inversor și funcțional.

prezentare, adaugat 24.12.2011


Scopul și principiul de funcționare al potențiometrelor. Dependența tensiunii de ieșire de mișcarea glisorului. Schema electrica senzor potențiometric. Caracteristicile statice ale potențiometrelor încărcate. Tipuri reversibile și nereversibile ale includerii lor.

prezentare, adaugat 05.10.2016


Senzori fotoelectrici de poziție, caracteristici, domeniul de aplicare, principiul funcționării acestora. Contoare cu ultrasunete cu ieșiri digitale și analogice, avantajele acestora. Senzori inductivi de poziție și deplasare, principiu de măsurare, diagramă de conectare.

lucrare curs, adaugat 25.04.2014


Proiectarea unui dispozitiv fără contact folosind exemplul unui senzor de deplasare liniar electromagnetic. Calculul înfășurărilor și miezului, proiectarea senzorilor pe baza de transformatoare diferențiale reglabile liniar, studiul modurilor de funcționare ale acestora.

lucrare curs, adăugată 06.11.2015


Concept și proprietăți generale senzori Luarea în considerare a caracteristicilor de funcționare ale senzorilor de viteză și accelerație. Caracteristicile metodelor optice, electrice, magnetice și de măsurare a radiațiilor. Analiza senzorilor optici reali, de viteză de rotație și de accelerație.

lucrare curs, adăugată 14.01.2016


Brevetul și revizuirea analitică a senzorilor de măsurare a vitezei, baza clasificării lor. Principiul de funcționare și specificatii tehnice senzori electromagnetici viteză. Utilizarea efectului Hall pentru a proiecta un senzor de viteză a mașinii.

lucrare curs, adăugată 13.01.2015


Conceptul și scopul măsurării traductoarelor - senzori, principiul funcționării lor și funcțiile, capacitățile și elementele principale. Clasificarea surselor de informații primare. Senzori pentru măsurarea variabilelor de proces.

lucrare de curs, adăugată 05/04/2010


Diagrama bloc, caracteristicile și modurile de funcționare ale microcircuitului convertor Angle-Code pentru procesarea semnalelor de la senzori inductivi de tip SKVT (transformatoare rotative sinuso-cosinus). Comparația ei cu analogi străiniși module bazate pe acestea.

Vă invităm să vă familiarizați cu principiile fizice ale lucrării produse de RDP Electronics Ltd (Regatul Unit), cu principalii lor parametri, avantaje și domenii de aplicare.

Termenul LVDT (Linear Variable Differential Transformer) înseamnă un transformator diferențial liniar cu un raport de transmisie variabil.

Să luăm în considerare principiul de funcționare al senzorilor bazați pe tehnologia LVDT.

Înfășurare primară excitantă
Înfășurare secundară 1
Înfășurare secundară 2
Semnalul rezultat din suma înfășurărilor secundare

În principiu, există două scheme de funcționare - cu tensiune de ieșire și curent de ieșire.

Schema de funcționare cu curent de ieșire (4-20mA)

Să aruncăm o privire mai atentă asupra procesului de măsurare a deplasării.

Senzorul de deplasare, care funcționează folosind tehnologia LVDT, este format din trei înfășurări de transformator - una primară și două secundare. Gradul de transmisie a curentului între înfășurările primare și cele două secundare este determinat de poziția miezului magnetic mobil, tija. Înfășurările secundare ale transformatorului sunt conectate în antifază.

Când tija se află în mijlocul transformatorului, tensiunea de pe cele două înfășurări secundare este egală ca amplitudine și, deoarece sunt conectate în antifază, tensiunea totală la ieșire este zero - nu există mișcare.

Dacă tija se mișcă din poziția de mijloc în orice direcție, tensiunea crește într-una dintre înfășurările secundare și scade în cealaltă. Ca urmare, tensiunea totală nu va fi zero - senzorul va înregistra deplasarea tijei.

Raportul dintre faza de ieșire a semnalului în comparație cu faza semnalului de excitare permite electronicii să înțeleagă în ce parte a înfășurării se află în prezent tija.

Principala caracteristică a principiului de funcționare a senzorilor inductivi de deplasare este că nu există un contact electric direct între elementul de detectare și transformator (comunicarea se face printr-un câmp magnetic), ceea ce oferă utilizatorilor date absolute de deplasare, precizie teoretic infinită a rezoluției și o rezoluție foarte lungă. durata de viață a senzorului.

Caracteristicile circuitului de curent de ieșire- deoarece circuitul generator/demodulator este încorporat în senzorul de deplasare însuși și este alimentat de un curent de ieșire de 4-20 mA, nu este nevoie de echipament extern de condiționare a semnalului.

Caracteristicile circuitului de tensiune de ieșire- un circuit generator/demodulator încorporat în senzorul de deplasare asigură excitația și convertește semnalul feedbackîn tensiune DC. În acest caz, nu este necesar nici un echipament extern pentru generarea semnalului.

Caracteristici de măsurare a semnalului de ieșire.
1) Dacă tensiunea de ieșire este măsurată cu un voltmetru nesensibil la fază (rms), atunci abaterea tijei în orice direcție de la poziția centrală a transformatorului senzorului va corespunde unei creșteri a tensiunii de ieșire.

Rețineți că curba nu atinge axa orizontală. Acest lucru se datorează tensiunii reziduale de ieșire.

2) Dacă se utilizează demodularea sensibilă la fază, atunci din semnalul de ieșire se poate judeca în ce parte a transformatorului se află în prezent tija.

Demodularea sensibilă la fază este întotdeauna folosită pentru a genera un semnal, deoarece aceasta elimină efectul tensiunii reziduale de ieșire asupra semnalului de ieșire și permite utilizatorului să cunoască poziția tijei în transformator.

Dacă ne uităm la curba de ieșire în afara intervalului mecanic al unui senzor LVDT tipic, putem vedea că curba se îndoaie la marginile intervalului. Aceasta înseamnă că domeniul mecanic este semnificativ mai larg decât zona liniară de lucru.

La calibrarea unui senzor, este important ca punctul de zero electric să fie folosit ca referință și ca senzorul să fie utilizat în intervalul ±FS (interval complet) în jurul poziției zero electric.

Dacă calibrarea nu se bazează pe punctul zero volt, una dintre pozițiile întregii game va fi în afara intervalului liniar și, prin urmare, poate duce la o eroare de liniaritate.

Tipuri de senzori inductivi de deplasare

Convertoare decuplate care au o armătură care este separată de corpul corpului. Părțile senzorului trebuie instalate astfel încât armătura să nu atingă tubul interior al carcasei. Procedând astfel, puteți obține o absență absolută a frecării atunci când deplasați elementul sensibil al senzorului.

Traductoare monolitice care au un rulment de teflon care ghidează armătura (tija) de-a lungul tubului interior.

Convertoare monolitice cu un arc de retur care împinge armătura (tija) spre exterior.

Structura internă a unui senzor de deplasare inductiv tipic LVDT

Beneficiile senzorilor de deplasare inductivi LVDT

1. Avantaje față de potențiometre liniare (POTS).

• Nu există contact între corp și părțile interne și elementul senzor, ceea ce înseamnă că nu există uzură atunci când tija se mișcă. Senzorii POTS au contact cu elementul senzor și se pot uza rapid, mai ales atunci când sunt expuși la vibrații.
• Protecția împotriva umezelii și prafului poate fi obținută cu ușurință la nivelul necesar, chiar și versiunile standard ale senzorilor LVDT au, de obicei, mult cel mai bun nivel protectie fata de influente externe decât POTS.
• Vibrația nu provoacă pierderea semnalului, spre deosebire de POTS unde glisorul poate rupe contactul cu conductorul atunci când este vibrat.

2. Avantaje față de senzorii magnetostrictivi.

3. Avantaje față de encodere (senzori de poziție).

• Au cel mai bun răspuns în frecvență analogică.
• Au un corp mai rezistent.
• Imediat după pornire, ei „cunosc” poziția tijei, spre deosebire de codificatori, care trebuie să ofere o legătură permanentă cu poziția cunoscută.

4. Avantaje față de convertoarele vectoriale rezistive variabile (VRVT)

• Au un diametru al corpului mai mic.
• Mai durabil și nu se va uza.
• Poate fi folosit mult mai mult timp.

5. Avantaje față de senzorii capacitivi liniari

• Senzorii LVDT sunt în general mai ieftini.
• Mai puțin sensibil la conditii externe operare.
• Semnificativ mai durabil.

Caracteristicile senzorilor de deplasare inductivi LVDT

• Maxim temperatura de functionare 600°C.
• Temperatura minimă de funcționare –220°C (de referință, temperatura azotului lichid -196°C, temperatura heliului lichid -269°C).
• Poate funcționa la niveluri de radiație de 100.000 rad.
• Poate funcționa la o presiune de 200 bar.
• Ele pot funcționa sub apă, iar apa poate pătrunde în interiorul senzorului fără a-i provoca rău. Există o serie specială de senzori subacvatici care pot fără aceștia. inspecție; lucru sub apă timp de 10 ani; Conectorii de cablu pot fi conectați și sub apă.

Principalele aplicații ale senzorilor LVDT

Sisteme industriale de măsurare

• Supape de control - oriunde există supape de control senzori inductivi mișcările pot fi utilizate pentru a controla poziția tijei supapei. Mai ales acolo unde există domenii critice de lucru, de exemplu, în supapele de abur pentru turbinele din centralele electrice.
• Monitorizarea poziției ecluzei - Senzorii de deplasare submersibili sunt potriviți pentru măsurarea poziției ecluzei în sistemele de apă și apă uzată.
• Măsurarea distanței dintre role.
  Pentru a menține grosimea uniformă a produselor laminate, distanța dintre role este adesea măsurată la ambele capete.
• Monitorizarea mișcării tijelor supapelor pe conductele subacvatice de petrol/gaz.
• Monitorizarea funcționării activatoarelor hidraulice - măsurarea mișcării obiectului pe care îl mișcă activatorul. Datorită rezistenței lor extrem de ridicate la uzură, acești senzori de mișcare LVDT pot rezista la milioane de cicluri de mișcare.
• Controlul poziției/mișcării sculelor de tăiere de tăiere a materialelor laminate.
• Măsoară poziția/deplasarea rolelor care sunt folosite pentru a îndrepta banda rulată înainte de ștanțare.
• Poate fi folosit pentru a măsura dinamic dimensiunile (diametrele) rolelor de produs, de exemplu, pentru a declanșa un semnal către sistemul de control atunci când rola atinge dimensiunea maximă/minimă în timpul înfășurării/rebobinarii materialului.

Masini-unelte

• Poate fi folosit în testarea dispozitivelor de fixare pentru a măsura rotunjimea, planeitatea etc. piese de mașini pentru a analiza calitatea fabricării lor.
• Poate fi folosit pentru a evalua și controla poziția relativă a componentelor pieselor dintr-un ansamblu, atunci când este necesară reglarea/ajustarea dimensiunilor poziției relative a pieselor.

Aviație/spațiu

• Poate fi folosit pentru a evalua răspunsul unității la acțiunea activatorului. De exemplu, traductorul măsoară poziția flapurilor unei aripi de avion când întreţinere. Aici este foarte important să se măsoare viteza de funcționare a activatorului după aplicarea unui semnal de control, precum și viteza de schimbare a poziției clapetelor.
• Analiza rotorului elicopterului
  Senzorii LVDT sunt utilizați pe elicoptere pentru a măsura unghiul de pas al palelor rotorului.
• Poate fi folosit pentru a estima deplasarea carcasei motorului atunci când este încălzită.
• Poate fi folosit pentru a măsura deplasarea (deformarea) unei pale de turbină sub influență externă.
• Poate fi folosit pentru a măsura deviația diafragmei duzei unui motor cu reacție.
• Poate fi folosit pentru

Constructii / Proiectare cladiri si structuri

• Poate fi folosit pentru a măsura vibrațiile sau deformarea podurilor din cauza modificărilor traficului sau a rafalelor de vânt.
• Poate fi utilizat pentru măsurarea deplasării solului în timpul construcției, monitorizarea alunecărilor de teren și a barajelor de terasament.
• Poate fi folosit la testarea structurilor de clădiri de dimensiuni mari, grinzilor, traveelor ​​de pod etc. pentru deformarea forței.

Industria auto

• Poate fi folosit pentru a monitoriza deplasarea carcasei motorului în timpul testării.
• O aplicație ideală pentru senzorii LVDT ar fi testarea componentelor suspensiei vehiculului.
• Poate fi folosit pentru a controla producția de componente de precizie.
• Poate fi folosit pentru reglarea componentelor motorului, cum ar fi injectoarele diesel.
• Poate fi folosit pentru a testa ușile, pedalele și mânerele vehiculului pentru a simula extinderea duratei de viață a acestora.
• Poate fi folosit pentru a măsura profilul suprafeței unei piese de prelucrat, cum ar fi sticla sau alte obiecte din zonă.

Producția de energie

• Poate fi folosit pentru a măsura curajul arborelui turbinei.
• Poate fi folosit pentru a controla poziția supapei principale de abur, care reglează fluxul de abur în turbină. Supapa își ajustează în mod constant poziția pentru a menține o viteză constantă a turbinei. Senzorii LVDT sunt ideali pentru lucrul în zonă temperaturi ridicate, murdărie și vibrații constante.
• Poate fi folosit pentru a controla poziția supapei de bypass. Când supapa de bypass se deschide, senzorul poate experimenta o temperatură de 200°C.

Este ușor să trimiți munca ta bună la baza de cunoștințe. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚEI AL FEDERATIEI RUSE

INSTITUȚIE DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT

ÎNVĂŢĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOR

„UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE STAT LIPETSK”

Departamentul de Fizică și Inginerie Biomedicală

Cursuri pe tema:

"Medical traductoare de masurași electrozi"

Subiect: „Senzori de mișcare și poziție”

Completat de: student gr. IM-09-1

Rossikhin A.N.

Acceptat: st.pr. Nazarova V.A.

Lipetsk 2011

Introducere

Pe măsură ce lumea producției devine din ce în ce mai automatizată, senzorii industriali joacă un rol din ce în ce mai important în creșterea productivității și siguranței.

De două decenii, senzorii și contoarele de distanță au fost utilizate cu succes în toate industriile: senzor de poziție, senzor de deplasare. Fiind o legătură de legătură între părțile electronice și mecanice ale dispozitivelor, un senzor de deplasare sau senzor de poziție a devenit un element integral al echipamentelor pentru automatizarea diferitelor procese.

Această lucrare este dedicată senzorilor fără contact, și anume senzorilor inductivi, capacitivi și optici. Fiecare tip are propriile sale puncte forte și punctele slabe, așadar, în funcție de condițiile și cerințele de utilizare a senzorului, se alege un tip sau altul. Vă vom spune ce sunt senzorii fără contact, vom vorbi despre avantajele acestora și exemple de utilizare. În munca noastră, am acordat multă atenție senzorului capacitiv. Ne-am uitat la dispozitivele create pe baza acestuia.

In aceasta munca de cercetare sunt prezentate informații care sunt rezultatul prelucrării datelor de pe senzorii fără contact.

Scopul lucrării: studierea dispozitivelor, principiile de funcționare și caracteristicile senzorilor fără contact, fenomenele care stau la baza funcționării, aplicarea acestora și identificarea avantajelor și dezavantajelor acestora.

Sarcina munca stiintifica este de a dobândi abilități în colectarea și prelucrarea informațiilor științifice și tehnice.

senzor fără contact optic inductiv

1. Senzor, informații generale

Senzor, senzor (din engleza senzor) este un termen pentru sisteme de control, un traductor primar, un element al unui dispozitiv de măsurare, semnalizare, reglare sau control al unui sistem care convertește o cantitate controlată într-un semnal convenabil pentru utilizare.

În prezent, diverși senzori sunt utilizați pe scară largă în construcția sistemelor de control automatizate.

Senzorii sunt un element sisteme tehnice, destinate măsurării, semnalizării, reglarii, controlului dispozitivelor sau proceselor. Senzorii convertesc cantitatea controlată (presiune, temperatură, debit, concentrație, frecvență, viteză, deplasare, tensiune, curent electric etc.) într-un semnal (electric, optic, pneumatic), convenabil pentru măsurarea, transmiterea, convertirea, stocarea și înregistrarea informațiilor despre starea obiectului de măsurat.

Din punct de vedere istoric și logic, senzorii sunt asociați cu tehnologia de măsurare și instrumente de măsurare, de exemplu, termometre, debitmetre, barometre, dispozitiv indicator de atitudine etc. Termenul general de senzor a devenit mai puternic în legătură cu dezvoltarea sistemelor de control automat, ca element al conceptului logic generalizat de senzor - dispozitiv de control - actuator - obiect de control. Un caz special este utilizarea senzorilor în sistemele automate pentru înregistrarea parametrilor, de exemplu, în sistemele de cercetare științifică.

Definiții ale conceptului de senzor.

Două semnificații principale sunt întâlnite pe scară largă:

un element sensibil care convertește parametrii de mediu într-un semnal adecvat utilizării tehnice, de obicei electric, deși posibil de altă natură, de exemplu, un semnal pneumatic;

un produs complet bazat pe elementul de mai sus, incluzând, în funcție de necesități, dispozitive de amplificare a semnalului, liniarizare, calibrare, conversie analog-digitală și interfață pentru integrarea în sistemele de control. În acest caz, elementul sensibil al senzorului însuși poate fi numit senzor.

Aceste semnificații sunt în concordanță cu utilizarea termenului de către producătorii de senzori. În primul caz, senzorul este un dispozitiv electronic mic, de obicei monolit, de exemplu, un termistor, fotodiodă etc., care este folosit pentru a crea dispozitive electronice mai complexe. În al doilea caz, este un dispozitiv complet în funcționalitatea sa, conectat prin una dintre interfețele cunoscute la sistem control automat sau înregistrare. De exemplu, fotodiode în matrice etc.

În funcție de tipul de cantitate de intrare (măsurată), se disting următoarele:

senzori mecanici de deplasare (liniari și unghiulari),

Pneumatic,

Electric,

Debitmetre,

Senzori de viteza,

accelerare,

Temperaturile

Presiunea, etc.

Există trei clase de senzori:

Senzori analogici, adică senzori care produc semnal analogic, proporțional cu modificarea valorii de intrare;

Senzori digitali care generează un tren de impulsuri sau un cuvânt binar;

Senzori binari (binari) care produc un semnal de doar două niveluri: „pornit/oprit” (cu alte cuvinte, 0 sau 1); s-au răspândit datorită simplității lor.

2. Senzori de poziție

Un senzor de poziție (senzor de deplasare) este un dispozitiv conceput pentru a determina locația unui obiect, care poate fi sub formă solidă sau lichidă sau poate fi o substanță granulară.

Senzorii de poziție sunt sursele primare de informații pentru sistemele de automatizare, atât bazate pe relee sau circuite logice, cât și pe baza de controlere programabile. Fiabilitatea întregului sistem este determinată de fiabilitatea elementului cel mai susceptibil la factorii destabilizatori.

Există două tipuri de senzori de poziție (senzor de deplasare): fără contact (senzori inductivi, magnetici, capacitivi, ultrasonici, optici) și de contact. Principalul reprezentant al celui de-al doilea tip este un codificator - un dispozitiv care convertește unghiul de rotație al unui obiect într-un semnal care vă permite să determinați acest unghi.

În funcție de tipul de ieșire, senzorul de poziție (senzorul de deplasare) este împărțit în analog, digital și discret (comutatoare).

3. Senzori fără contact

Senzorii fără contact și comutatoarele de proximitate sunt dispozitive de automatizare industrială concepute pentru a controla poziția obiectelor. GOST 26430-85 a introdus termenul „comutator fără contact”. Ulterior, GOST R 50030.5.2-99 a înlocuit termenul cu „senzor fără contact”. În prezent, ambii termeni sunt folosiți pentru aceste produse.

Fig.1.1. Aspectul unui senzor fără contact

Comutatorul fără contact efectuează o operație de comutare atunci când obiectul de influență intră în zona de sensibilitate a comutatorului. Absența contactului mecanic între obiectul care influențează și elementul sensibil al comutatorului fără contact asigură o fiabilitate ridicată a funcționării acestuia.

Fig.1.2. Comutator de proximitate

Simplificată, schema funcțională a unui comutator fără contact constă din trei blocuri:

Fig.1.3. Schema funcțională a unui comutator fără contact

Când obiectul de influență se apropie de suprafața activă a elementului de detectare, se declanșează comutatorul fără contact. În acest caz, elementul de comutare face un scurtcircuit sau deschide (sau efectuează ambele operații) în circuite DC de până la 400 mA și în circuite AC până la 250 mA.

Senzorii de poziție fără contact sunt clasificați în funcție de principiul de funcționare al elementului senzor - inductiv, optic, capacitiv etc.

Comutatoarele de proximitate sunt dispozitivele principale pentru automatizare proces tehnologic diverse industrii precum

constructie de masini-unelte,

industria auto,

inginerie mecanică,

industria alimentară etc.

Un domeniu de aplicare atât de larg al VB se datorează un număr mare posibile soluții tehnologice implementate cu ajutorul lor:

numărarea numărului de obiecte,

controlul poziției obiectului,

determinarea vitezei,

determinarea unghiului de rotatie

si multe altele.

3.1 Senzori inductivi

Senzorul inductiv este un senzor fără contact conceput pentru achiziționarea fără contact a informațiilor despre mișcările părților de lucru ale mașinilor, mecanismelor, roboților etc. și conversia acestor informații într-un semnal electric.

Senzorul inductiv recunoaște și reacționează în consecință la toate obiectele conductoare.

Senzorii inductivi sunt folosiți pe scară largă pentru a rezolva probleme în sistemele automate de control al proceselor. Efectuat cu un contact normal deschis sau normal închis.

Principiul de funcționare se bazează pe modificarea parametrilor câmpului magnetic creat de inductorul din interiorul senzorului.

Mișcarea care se presupune a fi măsurată implică unul dintre elementele circuitului magnetic, care provoacă astfel o modificare a fluxului prin înfășurarea de măsurare și un semnal electric corespunzător.

Dacă elementul în mișcare este un miez feromagnetic, atunci mișcarea sa în timpul mișcării de translație sau rotație se manifestă a) într-o modificare a coeficientului de autoinductanță al bobinei (inductanță variabilă) sau b) într-o modificare a coeficientului de cuplare între primar. și înfășurările secundare ale transformatorului (transformator diferențial), ceea ce duce la o modificare a tensiunii secundare.

Într-un transformator cu cuplare variabilă, o înfășurare se poate roti în raport cu alta, una fixă ​​(una dintre ele joacă rolul unei surse, iar cealaltă - un receptor). Înfășurarea primară formează un inductor, iar înfășurarea secundară cu curent indus produce tensiune în funcție de unghiul de rotație (potențiometru inductiv, resolver).

Dependența coeficientului de autoinducție L sau de inducție reciprocă M de mișcarea înfășurării are de obicei liniaritate mediocră; liniaritatea sa poate fi îmbunătățită semnificativ prin includerea diferențială a două bobine suplimentare cu coeficienții M și L, schimbându-se, pentru o mișcare dată, în direcții opuse, ceea ce asigură compensarea parțială a neliniarității.

Senzorul inductiv este conectat la un circuit alimentat de o sursă de tensiune sinusoidală, a cărei frecvență este de obicei limitată la câteva zeci de kiloherți pentru a reduce atât interferența, cât și pierderile și pierderile magnetice datorate curenților Foucault. Tensiunea măsurată vm se obține prin modularea amplitudinii tensiunii de alimentare Es cosсst prin deplasarea x(t):

vm = kx(t) Escos(уst + Ф) (1).

Uneori, modificările elementului inductiv pot servi la modularea frecvenței oscilației proporțional cu mișcarea. În orice caz, indiferent de tipul de modulație, frecvența f ar trebui să fie mult mai mică decât frecvența purtătoare pentru a facilita detectarea (f

Prin însăși natura lor, senzorii inductivi, pe de o parte, sunt sensibili la câmpurile electromagnetice externe și, pe de altă parte, sunt capabili să le inducă ei înșiși. Prin urmare, senzorii inductivi trebuie plasați în interiorul unei carcase care servește drept scut magnetic.

Structura

Comutatoarele de proximitate inductive constau din următoarele componente principale:

Fig.2.1. Dispozitive de comutare inductivă

Generatorul creează un câmp electromagnetic de interacțiune cu obiectul.

Declanșatorul asigură histerezis în timpul comutării și durata necesară a marginilor semnalului de control.

Amplificatorul mărește amplitudinea semnalului la valoarea necesară.

Indicatorul LED arată starea comutatorului, asigură monitorizarea performanței și configurarea rapidă.

Compusul oferă gradul necesar de protecție împotriva pătrunderii particulelor solide și a apei.

Carcasa asigură instalarea comutatorului și îl protejează de influențele mecanice. Fabricat din alamă sau poliamidă, echipat cu produse feronerie.

Definiții de bază.

1. Zona activă.

Zona activă a unui comutator inductiv fără contact este zona din fața suprafeței sale sensibile unde câmpul magnetic al elementului sensibil al senzorului este cel mai concentrat. Diametrul acestei suprafețe este aproximativ egal cu diametrul senzorului.

Orez. 2.2. Zona activă a senzorului

2. Distanța nominală de detectare.

Fig.2.3. Distanța nominală de comutare

Distanța nominală de comutare este o valoare teoretică care nu ia în considerare variațiile parametrilor de funcționare ale senzorului, modificările de temperatură și tensiunea de alimentare.

Distanța nominală de răspuns (Sn) este parametrul principal al senzorului, normalizat pentru o dimensiune dată la tensiunea nominală de alimentare și temperatura. Distanța de răspuns crește odată cu creșterea dimensiunilor elementului sensibil și, în consecință, cu creșterea dimensiunilor senzorului.

Conform GOST R 50030.5.2-99, senzorul inductiv trebuie să funcționeze într-un interval de răspuns garantat, și anume în intervalul de la 0 (adică de la suprafața capului senzorului sensibil) la 81% din Sn declarat pentru un standard standardizat. oțel obiect de influență.

Intervalul de răspuns al senzorilor depinde în mod obiectiv de temperatura ambiantă.

De regulă, senzorul este instalat astfel încât obiectul de influență (un element structural în mișcare) să se miște paralel cu suprafața sensibilă a dispozitivului.

3. Decalaj de lucru.

Intervalul de funcționare este orice distanță care asigură funcționarea fiabilă a comutatorului de proximitate în limitele admise de temperatură și tensiune.

Fig.2.4. Schema unui senzor cu un interval măsurat

Factorul de corecție pentru decalajul de lucru.

Factorul de corecție face posibilă determinarea decalajului de lucru, care depinde de metalul din care este realizat obiectul de influență.

Există senzori care sunt încastrați (permit instalarea încastră în metal) și neîncastrați. În al doilea caz, senzorii au o distanță de răspuns mai mare.

Figura arată dependența semnalului de ieșire de distanța până la disc.

Fig.2.5. Dependența transversală a senzorului de proximitate a semnalului de ieșire de distanță.

3.1.1. Senzor de inductanță variabilă

Coeficientul de autoinducție L al unei bobine de N spire de sârmă depinde de rezistența magnetică a circuitului magnetic asociat cu acesta:

L = N2/R, unde R = .

Aici m este permeabilitatea magnetică și S este aria secțiunii transversale a conturului.

Dacă aria secțiunii transversale a diferitelor segmente ale circuitului magnetic este constantă,

unde lf și l0 sunt lungimea liniilor de câmp în materialul feromagnetic și, respectiv, în aer, sf și s0 sunt zonele secțiunii transversale ale circuitului magnetic și ale intervalului, mf este permeabilitatea magnetică relativă a materialului feromagnetic (aproximativ 103h104) și mo = 4p 10-7 (în sistemul SI).

Circuit magnetic cu decalaj măsurabil. Pe baza formulei generale, este ușor de stabilit o expresie pentru coeficientul de auto-inducție:

Deoarece inductanța trebuie să fie sensibilă la măsurarea decalajului, trebuie să alegeți l0 » lf / mf, de aici obținem expresia pentru L:

Mișcarea Dx a plăcii duce la o modificare a Dl0 = 2Dx a decalajului, iar inductanța capătă o nouă valoare:

Sensibilitatea depinde de poziția inițială l0 a plăcii: cu cât l0 este mai mic, cu atât este mai mare în acest caz, sensibilitatea poate fi considerată constantă doar în cazul în care deplasările sunt foarte mici față de l0. Acest lucru limitează utilizarea acestui tip de senzor de deformare la ordinul unui milimetru.

Sensibilitatea și liniaritatea pot fi îmbunătățite prin conectarea diferențială a două înfășurări și miezuri identice situate simetric față de placa în mișcare.

O bobină cu miez mobil. Miezul feromagnetic este conectat la piesa a cărei poziție sau mișcare urmează să fie măsurată. Acest miez este scufundat la o adâncime variabilă lf într-o înfășurare care conține N spire de sârmă distanțate uniform pe o lungime l (Fig. 2.6).

Orez. 2.6. Schema schematică a unei bobine cu miez mobil.

1 - bobina; 2 - miez magnetic.

Coeficientul de autoinducție L al înfășurării depinde de adâncimea de scufundare a miezului. Atunci când se calculează L, inductanța este considerată ca o combinație în serie a unei inductanțe umplute cu aer de lungime l0 cu un coeficient de auto-inductanță Lo și o inductanță de miez de fier de lungime lf cu un coeficient de auto-inductanță Lf; coeficientul de inducție reciprocă este M.

unde este coeficientul de cuplare, presupus a fi constant.

Orez. 2.7. Activare diferențială a două bobine cu miez mobil.

3.2 Senzori capacitivi

Senzor capacitiv, convertor de măsurare a cantităților neelectrice (nivel de lichid, forțe mecanice, presiune, umiditate etc.) în valori de capacitate electrică. Din punct de vedere structural, un senzor capacitiv este un condensator electric plan-paralel sau cilindric.

Principiul de funcționare al comutatoarelor capacitive de proximitate

Senzorii capacitivi au un element sensibil sub forma unor plăci de condensatoare plasate spre suprafața activă.

Principiul de funcționare al senzorilor capacitivi se bazează fie pe modificarea geometriei condensatorului (adică modificarea distanței dintre plăci), fie pe modificarea capacității datorită plasării diferitelor materiale între plăci: conductoare electric sau dielectrice. Modificările capacității sunt de obicei convertite într-un semnal electric alternativ.

Principiul de funcționare se bazează pe dependența capacității electrice a condensatorului de dimensiunea, poziția relativă a plăcilor sale și de constanta dielectrică a mediului dintre ele.

Pentru un condensator plat cu două plăci, capacitatea electrică este determinată de expresia:

unde e0 este constanta dielectrică; e este constanta dielectrică relativă a mediului dintre plăci; S este aria activă a plăcilor; d este distanța dintre plăcile condensatorului.

Dependențele C(S) și C(d) sunt folosite pentru a transforma mișcările mecanice în modificări ale capacității.

Apropierea unui obiect din orice material de suprafața activă duce la o modificare a capacității condensatorului, a parametrilor generatorului și, în cele din urmă, la comutarea elementului de comutare.

Proiectarea și principiile de funcționare a unui senzor capacitiv

Orez. 2.8. Dispozitiv cu senzor capacitiv

Senzorul capacitiv de proximitate funcționează după cum urmează:

1. Generatorul furnizează un câmp electric pentru interacțiunea cu obiectul.

2. Demodulatorul transformă modificarea amplitudinii oscilațiilor de înaltă frecvență ale generatorului într-o modificare a tensiunii continue.

3. Declanșatorul furnizează panta necesară a frontului semnalului de comutare și valoarea histerezisului.

4. Amplificatorul crește semnalul de ieșire la valoarea necesară.

5. Indicatorul LED arată starea comutatorului, asigură operabilitatea și setarea rapidă.

6. Compusul asigură gradul necesar de protecție împotriva pătrunderii particulelor solide și a apei.

7. Carcasa asigură instalarea comutatorului și îl protejează de influențele mecanice. Fabricat din alamă sau poliamidă, echipat cu produse feronerie.

Suprafața activă a unui senzor capacitiv fără contact este formată din doi electrozi metalici, care pot fi considerați ca plăcile unui condensator „desfăcut”. Electrozii sunt incluși în circuitul de feedback al unui auto-oscilator de înaltă frecvență, configurat în așa fel încât dacă nu există niciun obiect în apropierea suprafeței active, acesta să nu genereze. Când se apropie de suprafața activă a unui senzor de proximitate capacitiv, obiectul intră într-un câmp electric și modifică capacitatea de feedback. Generatorul începe să producă oscilații, a căror amplitudine crește pe măsură ce obiectul se apropie. Amplitudinea este estimată de circuitul de procesare ulterior care generează semnalul de ieșire. Senzorii capacitivi fără contact sunt declanșați atât de obiecte conductoare electric, cât și de dielectrici. Când este expus la obiecte din materiale conductoare electric, distanța reală de răspuns Sr este maximă, iar atunci când este expus la obiecte din materiale dielectrice, distanța Sr scade în funcție de constanta dielectrică a materialului er (vezi graficul dependenței lui Sr. pe er și tabelul constantei dielectrice a materialelor). Când lucrați cu obiecte din materiale diferite, cu constante dielectrice diferite, este necesar să folosiți un grafic al lui Sr versus er. Distanța nominală de funcționare (Sn) și intervalul de expunere garantat (Sa), specificate în caracteristicile tehnice ale comutatoarelor, se referă la un obiect de influență metalic împământat (Sr=100%). Raport pentru determinarea distanței reale de detectare (Sr): 0,9 Sn< Sr < 1,1 Sn.

Figura 2.9 Dependența distanței efective de răspuns Sr de constanta dielectrică a materialului obiect Er

Constanta dielectrica a unor materiale:

Senzorii capacitivi pot fi unipolari (includ un singur condensator), diferențiali (includ doi condensatori) sau punți (patru condensatori sunt deja folosiți aici). În cazul senzorilor diferențiali sau în punte, unul sau doi condensatori sunt fie constanți, fie variabili, conectați unul față de celălalt.

În practică, atunci când se măsoară mișcarea unui obiect conductiv electric, suprafața acestuia joacă adesea rolul unei plăci de condensator. În fig. 2.10. prezintă o diagramă schematică a unui senzor capacitiv unipolar, în care una dintre plăcile condensatorului este conectată la conductorul central al cablului coaxial, iar cealaltă placă este obiectul însuși. Rețineți că placa proprie a senzorului este înconjurată de un scut împământat, ceea ce îmbunătățește liniaritatea și reduce efectele marginilor. Un senzor capacitiv tipic funcționează la frecvențe în intervalul de 3 MHz și poate detecta mișcările obiectelor care se mișcă rapid. Caracteristicile de frecvență ale unui astfel de senzor cu o interfață electronică încorporată sunt în intervalul de 40 kHz.

Senzorii capacitivi de proximitate sunt foarte eficienți atunci când au de-a face cu obiecte conductoare electric și măsoară capacitatea dintre electrod și obiectul însuși. Senzorii capacitivi funcționează destul de bine și cu obiecte neconductoare, dar precizia lor se deteriorează oarecum. Orice obiect care intră în vecinătatea electrodului are propriile sale proprietăți dielectrice, care modifică capacitatea dintre electrod și corpul senzorului, ceea ce duce, la rândul său, la un semnal de ieșire proporțional cu distanța dintre obiect și detector.

Pentru a crește sensibilitatea și a reduce efectele marginilor, ecranul activ este utilizat într-un senzor capacitiv unipolar. În acest caz, ecranul este plasat în jurul părților nefuncționale ale electrodului și i se aplică o tensiune egală cu tensiunea de pe electrod. Deoarece tensiunile de pe ecran și electrod au aceleași amplitudini și faze, nu există niciun câmp electric între ele, iar toate componentele situate în spatele ecranului nu au niciun efect asupra funcționării senzorului. Această metodă de ecranare este ilustrată în Fig. 2.11.

Fig.2.10. Senzor capacitiv cu inel de ecranare, secțiune transversală

Orez. 2.11. Senzor capacitiv care măsoară distanța până la un obiect, cu un scut activ în jurul electrodului

În ultimii ani, senzorii capacitivi de deplasare în punte au devenit foarte populari. În fig. 2.12. prezintă un senzor de deplasare capacitiv cu punte liniară format din două grupuri de electrozi plati dispuși în paralel la o distanță fixă ​​d. Pentru a crește capacitatea, distanța dintre electrozi se face destul de mică. Grupul staționar de electrozi este format din patru elemente dreptunghiulare, iar grupul mobil este format din două. Toate cele șase elemente au aceleași dimensiuni.

Pentru a crește intervalul de liniaritate, este de dorit ca dimensiunea fiecărui element să fie cât mai mare posibil (aici, de regulă, limitările rezistenței mecanice încep să afecteze). Cei patru electrozi ai subgrupului staționar sunt interconectați între ei prin fire electrice, care se realizează pentru a forma un circuit capacitiv de tip punte.

O tensiune sinusoidală cu o frecvență de 5 - 50 kHz este furnizată circuitului de punte. Un amplificator diferenţial amplifică diferenţa de tensiune dintre o pereche de electrozi dintr-un grup în mişcare. Semnalul de ieșire al amplificatorului este transmis la intrarea detectorului sincron. Capacitatea condensatorului. Senzor de tip punte capacitiv cu două plăci paralele: A - dispozitiv de aranjare a grupului, B - circuit echivalent al distanței nominale unul de celălalt, proporțional cu aria părții plăcii mobile situată vizavi de zona corespunzătoare a placa staționară. În fig. 2.12. Este prezentat circuitul echivalent al unui senzor de deplasare cu o configurație de punte capacitivă. Senzorii capacitivi de deplasare au o gamă largă de aplicații. Ele pot fi utilizate fie independent pentru a determina poziția și mișcarea obiectelor, fie să facă parte din alți senzori în care mișcările elementelor individuale sunt cauzate de influența diferitelor forțe, presiune, temperatură etc. asupra lor.

Figura 2.12. Senzor capacitiv punte.

3.3 Senzor optic (senzor fotoelectric)

Un fotosenzor este un dispozitiv care înregistrează și răspunde la modificările intensității luminii.

Există senzori optici analogici și discreti. Cu senzorii analogici, semnalul de ieșire variază proporțional cu lumina ambientală. Domeniul principal de aplicare este sistemele automate de control al iluminatului.

Senzorii de tip discret schimbă starea de ieșire la cea opusă atunci când este atinsă valoarea setată de iluminare.

După contactul mecanic și senzorii potențiometrici, detectoarele optice sunt poate cele mai populare dispozitive pentru determinarea poziției și mișcării obiectelor.

Un senzor optic de mișcare include de obicei trei componente: o sursă de lumină, un fotodetector și dispozitive de control al luminii (lentile, oglinzi, fibre optice etc.).

Orez. 3.1. Dispozitiv cu senzor optic.

Folosind scuturi de protecție sau răcire, senzorii optici sunt utilizați pentru a poziționa sau număra obiectele încălzite

În conformitate cu GOST R 50030.5.2, comutatoarele optice de proximitate sunt clasificate în trei grupuri:

tip T - cu recepție directă a fasciculului de la emițător;

tip R - cu recepție a fasciculului returnat de la reflector;

tip D - cu recepția unui fascicul reflectat difuz de la un obiect.

Un senzor optic de tip T se caracterizează prin faptul că emițătorul și receptorul sunt amplasate în carcase separate. Fasciculul optic direct merge de la emițător la receptor și poate fi blocat de obiectul de influență. Emițătorul și receptorul pot primi energie de la diferite surse de alimentare. Indicatorul emițătorului semnalizează tensiunea de alimentare. Indicatorul receptorului semnalează când receptorul este activat. Elementul de comutare este situat în receptor.

Un senzor optic de tip R are un emițător și un receptor găzduiți într-o singură carcasă. Receptorul primește fasciculul emițător reflectat de la un reflector special

Un senzor optic de tip D are un emițător și un receptor găzduiți într-o singură carcasă. Receptorul primește un fascicul reflectat împrăștiat de la țintă. Un obiect se poate mișca atât de-a lungul axei relative, cât și la un unghi față de aceasta

3.3.1 Senzori digitali absoluti

Acestea sunt rafturi pentru mișcări liniare sau discuri pentru mișcări unghiulare, împărțite în N zone egale (fâșii în cazul unui rack, sectoare în cazul unui disc), pe care sunt scrise cuvinte binare care corespund poziției determinate conform cod și tehnologie specifică. Numărul de pad-uri N determină rezoluția după cum urmează: L/N cm pentru o lungime L cm și 360°/N pentru un disc.

Toți n biți care alcătuiesc fiecare cuvânt sunt materializați pe n piste paralele (pentru un rack) sau concentrice (pentru un disc) (Fig.) folosind două stări fizice diferite pentru a determina valoarea 0 sau 1:

a) suprafata nemagnetizabila sau feromagnetica (lectura magnetica);

b) suprafață izolatoare sau conducătoare (detecție electrică);

c) suprafata opaca si translucida (lectura optica).

În prezent, citirea optică este folosită cel mai des; Pentru fiecare pistă există o sursă - o diodă electroluminiscentă și un receptor - un fototranzistor.

Orez. 3.3. Rack și disc cu cod binar natural.

Orez. 3.3. Rake și disc cu cod Gray.

4. Senzori de proximitate

Pentru senzorii de acest tip, nu există nicio legătură mecanică între dispozitiv și obiectul în mișcare; interacțiunea dintre ele - în funcție de poziția lor relativă - se stabilește printr-un câmp, care poate servi ca:

câmp de inducție magnetică pentru senzori cu rezistență magnetică variabilă (se folosește efectul Hall);

câmp electromagnetic pentru senzori cu curenți Foucault;

câmp electromagnetic pentru senzori capacitivi.

Avantajele senzorilor de proximitate rezultă din faptul că această conexiune mecanică este absentă. Acestea includ:

lățime de bandă largă;

impact redus asupra obiectului măsurat datorită forțelor extrem de mici care apar între acest obiect și senzor.

Fiabilitate sporită datorită absenței pieselor în mișcare supuse uzurii sau a spațiului liber crescut.

În plus, acești senzori asigură izolarea galvanică a circuitului de măsurare și a obiectului în mișcare.

Principalele lor dezavantaje sunt:

mic, aproximativ 1 mm, domeniul de măsurare;

neliniaritate;

dependența citirilor unora dintre ele de forma, dimensiunea și materialul obiectului și a mediului său, ceea ce duce la necesitatea calibrării lor în condiții specifice de utilizare.

Senzorul de proximitate este utilizat în modul analogic sau cod digital. În primul caz, amplitudinea semnalului este o funcție continuă a poziției relative a obiectului și a senzorului, iar în al doilea caz, nivelul semnalului poate fi doar ridicat sau scăzut, în funcție de faptul că obiectul este mai aproape sau mai departe decât o anumită distanță: în acest din urmă caz, senzorul se numește detector de proximitate. Când se utilizează senzorul în acest mod, se determină următoarele:

interval nominal - distanța la care un obiect standard se apropie de axa senzorului și provoacă o modificare a stărilor codului la ieșirea senzorului;

cursă diferențială sau histerezis - diferența de distanțe corespunzătoare modificărilor stărilor codului, în funcție de faptul că un obiect standard se apropie sau se îndepărtează de-a lungul axei senzorului.

Unele aplicații posibile sunt prezentate în Fig. 4.1 acestea includ: măsurarea și stabilizarea poziției;

controlul dimensiunii;

studiul mișcării obiectelor cu inerție redusă.

Orez. 4.1. Senzor de proximitate.

a - posturi; b - ajustări; c - ajustări de-a lungul a două coordonate; d - diametrul; d - mişcări longitudinale şi transversale; e - grosimea peliculei de ulei; g - grosimea izolației pe metal; h - grosimea metalului; și - dimensiunea; k, l - mișcări dinamice, m - mișcări statice.

4.1 Senzor inductiv cu reluctanță magnetică variabilă

Un astfel de senzor este un transformator, al cărui circuit magnetic include un obiect în mișcare (Fig. 4.2); Acest transformator trebuie să fie feromagnetic sau să aibă o suprafață feromagnetică.

Orez. 4.2. Senzor de proximitate cu rezistență magnetică variabilă.

1 - ecran magnetic; 2 - înfășurare secundară; 3 - suprafata feromagnetica; 4- înfăşurare primară.

Distanța dintre obiect și capul senzorului, acționând ca un spațiu, determină rezistența circuitului magnetic și, prin urmare, fluxul care trece prin înfășurarea secundară și tensiunea la bornele acesteia atunci când înfășurarea primară este conectată la curent. Tensiunea înfășurării secundare, care este semnalul de măsurare vm, se modifică neliniar conform legii scrise sub forma

unde x este distanța senzorului față de obiect, iar vmo și a depind, în special, de permeabilitatea magnetică, forma și dimensiunea obiectului.

Semnalul poate fi liniarizat pentru mișcări mici față de o anumită poziție Do, dacă doi senzori identici sunt conectați la părți opuse ale obiectului în mișcare, conectați conform unui circuit diferențial: înfășurările primare sunt alimentate în serie sau paralel, iar alimentarea secundară. tensiunile vm1 și vm2 sunt conectate în contracurent; tensiunea măsurată în acest caz este egală cu

4.2 Senzor inductiv cu curenți Foucault

Elementul principal al acestui tip de senzor este o bobină alimentată de înaltă frecvență, care provoacă un câmp magnetic alternativ în spațiul din jurul său. Curenții Foucault apar într-un obiect metalic plasat în această zonă. Conform legii lui Lenz, ei se străduiesc să compenseze cauza care i-a cauzat; Astfel, ele determină inducerea semnului opus celui al bobinei, ceea ce duce la o scădere a coeficientului său de autoinducție. Spre deosebire de senzorii cu reluctanță variabilă, care sunt potriviți doar pentru obiecte feromagnetice, un senzor de curent Foucault este sensibil la orice obiect metalic. Cu toate acestea, citirile sale depind nu numai de distanța până la obiect, ci și de proprietățile fizice (rezistivitate, permeabilitate) și de caracteristicile geometrice (formă și dimensiune). De obicei, obiectul și senzorul sunt plasate în aer; Dispozitivul poate fi utilizat și în medii dielectrice, care se caracterizează prin pierderi reduse la frecvențele de funcționare.

Orez. 4.3. Cuplaj inductiv între o bobină și un obiect conducător. Schema electrică simplificată corespunzătoare.

1 - obiect; 2 - bobină excitantă.

Teoria fizică elementară. O teorie simplificată de funcționare a unui senzor de acest tip poate fi descrisă prin compararea unui obiect metalic cu un circuit cu elemente constante concentrate conectate la o bobină prin inducție reciprocă (Fig. 4.3).

Bobina și sursa sa de energie, formând circuitul primar, sunt descrise de ecuație

iar obiectul (circuit secundar) - prin ecuație

Influența proprietăților obiectului. Rezistivitate. Conexiunea cu obiectul are un efect mai mic asupra inductanței primare, cu atât rezistența obiectului este mai mare, adică. cu atât conductivitatea materialului din care este compusă este mai mică. În acest caz, sensibilitatea dispozitivului poate fi îmbunătățită prin plasarea unei foi sau a unui strat de acoperire foarte conductiv, cum ar fi aluminiul, pe obiectul în mișcare.

Permeabilitatea magnetică. Dacă un obiect feromagnetic este adus mai aproape de bobină, atunci vor apărea două efecte opuse în el: o scădere a rezistenței circuitului magnetic tinde să crească inductanța, în timp ce curenții Foucault o fac să scadă. Direcția rezultată de schimbare a inductanței depinde de raportul dintre valorile permeabilității și rezistivității obiectului.

Dimensiuni. Se presupune că aproape întregul set de curenți Foucault este localizat în stratul de suprafață, a cărui grosime este de aproximativ trei ori mai mare decât stratul de piele d, expresie pentru care are forma

unde m și y sunt permeabilitatea magnetică și respectiv conductivitatea electrică a obiectului, f este frecvența câmpului inductor al bobinei. Astfel, la o frecventa de 1 MHz avem d? 80 de microni pentru aluminiu și d? 20 microni pentru oțel.

Răspunsul senzorului nu depinde de grosimea obiectului dacă este de peste 3 ori grosimea stratului de piele. Dimensiunile transversale ale obiectului au, de asemenea, puțin efect dacă sunt mai mari decât diametrul bobinei.

Circuit de măsurare. Senzor analogic. De obicei, o a doua inductanță situată în brațul de punte adiacent este conectată diferențial la inductanța de măsurare pentru a compensa influențele aleatorii.

A doua inductanță poate fi:

inductanța de referință situată lângă un model fix al unui obiect de aceeași natură cu obiectul în mișcare (semnalul măsurat este în acest caz o funcție neliniară a deplasării);

o inductanță variabilă situată în raport cu un obiect în așa fel încât mișcările acestui obiect implică schimbări opuse în cele două inductanțe (această metodă de comutare diferențială face posibilă liniarizarea caracteristicii senzorului într-o zonă limitată de mișcare).

Detector de proximitate. Când este suficient să știi despre poziția unui obiect doar dacă distanța până la obiect este mai mare sau mai mică decât o anumită valoare, inductanța este de obicei plasată în circuitul rezonant al generatorului. Apropierea unui obiect determină o creștere a pierderilor și o scădere a inductanței, în urma căreia factorul de calitate Q al circuitului de sarcină scade. Sub o anumită valoare minimă a lui Q corespunzătoare pragului, generarea se oprește; circuitul corespunzător detectează acest lucru și semnalează prezența sau absența generației.

4.3 Senzor cu efect Hall

Efectul Hall se exprimă prin apariția unei diferențe de potențial VH perpendiculară pe liniile de curent ale unui conductor plasat în câmpul de inducție B; Tensiunea Hall VH depinde de direcția și mărimea lui V. Efectul Hall este o consecință a forței Laplace, care acționează asupra sarcinilor electrice în mișcare.

Un senzor bazat pe efectul Hall formează o sondă sub forma unei plăci (de obicei un semiconductor), prin care trece un curent și la marginile căreia se măsoară tensiunea Hall și un magnet care creează un câmp de inducție B, a cărui valoare în zona sondei (cum ar fi tensiunea VH) depinde de poziția magnetului.

Unul dintre elemente, o sondă sau un magnet, este fix, iar celălalt este conectat la un obiect în mișcare; De obicei, pentru a evita problemele de comunicare electrică cu sursele de semnal de nivel scăzut în mișcare, sonda este fixă; în acest caz, pentru ca mișcarea obiectului să nu fie perturbată, masa magnetului trebuie să fie relativ mică, ceea ce limitează regiunea în care inducția este măsurabilă și astfel se reduce domeniul de măsurare.

Teoria fizică elementară a efectului Hall. Să considerăm o placă dreptunghiulară conducătoare (lungime L, lățime l, grosime e) cu o diferență de potențial V aplicată, provocând un curent I pe direcția longitudinală (Fig. 4.4).

Orez. 4.4. Schema schematică a unei sonde bazată pe efectul Hall.

Presupunând că conductivitatea este asigurată de electroni de concentrație n și mobilitate m, avem:

Aici c este rezistivitatea, c = 1/qмn (q = 1,6·10-19 C), V = ExL, Ex este câmpul electric longitudinal, de unde I = qмnExel.

Placa este plasată într-un câmp de inducție B cu o componentă normală la planul plăcii BN; Forța Laplace FL care acționează asupra unui electron care se mișcă cu viteza v este egală cu FL = -qvB, unde v = -mEx. Această forță este îndreptată în direcția creșterii y și are mărimea

Sub acțiunea forței FL, electronii se acumulează pe suprafața laterală a plăcii din partea de creștere a y, lăsând aceeași sarcină a semnului opus pe partea opusă; aceste sarcini creează un câmp electric Ey paralel cu axa y, îndreptat în direcția creșterii y și care acționează asupra fiecărui electron cu o forță Fy = -qEy. O stare de echilibru este atinsă atunci când ambele forțe sunt echilibrate:

Tensiunea Hall VH corespunde produsului lățimii plăcii:

sau, ținând cont de expresia găsită anterior pentru curentul I,

Aici KH = -1/qn este constanta Hall.

O teorie mai riguroasă care ține cont de împrăștierea sarcinilor mobile de către fononi duce la înmulțirea expresiei anterioare KH cu 3p/8. Ordinul de mărime pentru unele materiale tipice pentru senzori Hall este prezentat în tabel:

Exemplu numeric. Într-o placă de arseniură de indiu de 0,1 mm grosime cu o rezistivitate de 5·10-5 Ohm·m, alimentată de un curent de 1 mA și plasată într-un câmp de inducție normal de 104 G, apare o tensiune Hall de 3,8 mV.

Constanta Hall depinde de temperatură datorită efectului acesteia asupra densității purtătorului liber; sensibilitatea la temperatură (1/KN) (d KN/dT) variază în funcție de material într-o gamă largă și poate atinge câteva % la 1°C.

O modificare a CV-ului în funcție de valoarea B poate duce la o abatere de la liniaritate de ordinul mai multor % din domeniul de măsurare; semnul acestei neliniarităţi depinde de material.

Design senzor. Măsurandul la care senzorul cu efect Hall este direct sensibil este componenta normală BN a inducției magnetice; sensibilitatea corespunzătoare este

Sensibilitatea este proporțională cu curentul I care trece prin sondă; depinde de proiectarea sondei (grosime e și alegerea materialului în funcție de coeficientul KH).

Atunci când un senzor este utilizat pentru a detecta poziții sau mișcări, un magnet care produce inducție acționează ca un traductor intermediar, care este influențat de mărimea măsurată primară (poziția sau mișcarea), schimbând mărimea măsurată secundară la care senzorul este direct sensibil. Sensibilitatea la poziția lui Sx este dată de

Sensibilitatea la poziția lui Sx este proporțională, în special, cu gradientul componentei normale a inducției în regiunea deplasării. Acest gradient depinde de natura magnetului și de poziția acestuia față de sondă; de obicei are o valoare semnificativă și este mai mult sau mai puțin constantă doar într-o zonă foarte limitată (de ordinul a 1 mm).

Criteriul de selecție a materialului. Tensiunea Hall este proporțională cu curentul I, dar acest curent este limitat de încălzirea Joule pe care o produce, care este proporțională cu puterea disipată Pd:

În funcția Pd, tensiunea Hall este exprimată după cum urmează:

Dacă măsurarea este efectuată cu un dispozitiv cu o rezistență mare de intrare și puterea de disipare este setată pentru a asigura încălzirea în limite limitate, este necesar să se selecteze un material pentru care termenul /n este maxim.

De exemplu, dacă măsurarea se referă la puterea furnizată de generatorul Hall într-o rezistență potrivită, atunci valoarea maximă ar trebui să fie.

Detector de proximitate. Este implementat prin atașarea unui declanșator Schmitt la sonda Hall, care este un comparator de nivel de histerezis, care permite (BN+ și BN-) în funcție de schimbarea în sus sau în jos, respectiv (Fig. 4.5). De obicei, histerezisul DBN este de ordinul câtorva zeci de mT și, fiind mai mare decât inducțiile de fond normale, evită falsele pozitive care pot fi cauzate de aceste inducții.

Orez. 4.5. Detector de proximitate bazat pe efect Hall și caracterizare a interacțiunii.

5. Avantajele și dezavantajele senzorilor

5.1 Senzor inductiv

Avantaje

fără uzură mecanică, fără defecțiuni asociate cu starea contactelor

nu există niciun contact sau alarme false

frecventa de comutare mare de pana la 3000 Hz

rezistent la stres mecanic

Dezavantaje - sensibilitate relativ scăzută, dependență de reactanța inductivă de frecvența tensiunii de alimentare, influență inversă semnificativă a senzorului asupra valorii măsurate (datorită atracției armăturii către miez).

5.2 Senzor capacitiv

Avantajele senzorilor capacitivi sunt simplitatea, sensibilitatea ridicată și inerția redusă.

Dezavantaje - influența câmpurilor electrice externe, complexitatea relativă a dispozitivelor de măsurare.

5.3 Senzor optic

Avantaje - datorită distanțelor mari de detectare (până la 50 m), senzorii optici fără contact și-au găsit o largă aplicație în industrie și nu numai.

5.4 Senzori cu ultrasunete

Acestea permit monitorizarea fără contact a poziției și dimensiunii diferitelor obiecte, indiferent de proprietățile lor optice și electrice, și sunt utilizate pe scară largă în echipamentele tehnologice pentru măsurarea nivelului de umplere a rezervoarelor cu lichide și materiale în vrac, monitorizarea diametrului foii de bobinare. materiale și rezolvarea altor probleme. Senzorii cu ultrasunete specializați fac posibilă determinarea poziției marginii și a grosimii filmelor polimerice transparente, țesăturilor și hârtiei.

Funcționarea senzorilor cu ultrasunete se bazează pe efectul piezoelectric - o modificare a dimensiunilor geometrice ale unei plăci ceramice sau de cuarț atunci când i se aplică un câmp electric și apariția unui câmp electric pe suprafețele plăcii sub influențe mecanice asupra acesteia. . Vibrațiile plăcii cu frecvența câmpului electric aplicat (300 kHz) provoacă apariția undelor sonore de aceeași frecvență. Aceste unde se deplasează în aer cu o viteză de 330 m/sec. Ele, ca un ecou, ​​sunt reflectate de obiecte și revin la emițător. Acționând asupra plăcii, undele sonore provoacă apariția unui câmp electric pe aceasta. Astfel, placa funcționează mai întâi ca emițător și apoi ca receptor de unde ultrasonice. Intervalul de răspuns al senzorului este reglat prin modificarea puterii de emisie a acestor unde și a perioadei de timp în care senzorul așteaptă reflectarea.

5.5 Senzor cu efect Hall

Abilitatea de a măsura poziția sau mișcarea printr-un scut non-feromagnetic care separă sonda de obiectul care poartă magnetul.

6. Aplicarea senzorilor

Aplicațiile senzorilor de poziție și deplasare în industrie sunt variate. În special, în medicină, senzorii fără contact pot fi găsiți în dispozitive precum o cameră gamma, fluorograf, RMN, ultrasunete și litotriptor.

6.1 Senzori inductivi

Senzorii inductivi sunt utilizați pentru a obține informații fără contact despre mișcările părților de lucru ale mașinilor, mecanismelor, roboților etc. și conversia acestor informații într-un semnal electric.

Instalat pe mașini CNC, prese, mașini de turnat prin injecție, linii transportoare, supape automate, mașini de ambalare etc.

6.2 Senzori capacitivi

Senzorii capacitivi sunt utilizați pentru a măsura mișcări unghiulare, mișcări liniare foarte mici, vibrații, viteză etc., precum și pentru a reproduce funcții specificate (armonică, dinți de ferăstrău, dreptunghiulară etc.).

Traductoarele capacitive, a căror constantă dielectrică e se modifică datorită mișcării, deformării sau modificărilor compoziției dielectricului, sunt utilizați ca senzori de nivel pentru lichide neconductoare, materiale vrac și pulverulente, grosimea unui strat de materiale neconductoare. , precum și monitorizarea umidității și compoziției substanței.

6.3 Senzori optici

Senzorii optici sunt folosiți în toate industriile pentru poziționarea sau numărarea obiectelor.

Fotosenzorii sunt omniprezenti și folosiți în viața noastră de zi cu zi. Ele ajută la controlul procesului de deschidere și închidere a ușilor de garaj, pornește și oprește fără contact apa din chiuvetă, controlează mișcarea unei scări rulante, deschide ușile într-un supermarket, finisaj foto.

6.4 Senzor cu ultrasunete

controlul blocajului

senzor de prezență

senzor de proximitate pentru robotică

controlul golului cutiei

controlul calității pe transportor

controlul disponibilității tăvii

controlul ruperii firului/sârmei etc.

controlul umplerii

verificarea diametrului rolei

senzor de prezență a oamenilor

poziționarea vehiculului, (senzor de proximitate)

Concluzie

Lucrarea științifică a examinat principalele tipuri de senzori fără contact, caracteristicile și principiile funcționării acestora și a luat în considerare domeniul de aplicare a acestora.

Se poate rezuma că întrerupătoarele fără contact sunt dispozitivele principale pentru automatizarea proceselor în diverse industrii, cum ar fi

constructie de masini-unelte,

industria auto,

industria petrochimica,

inginerie mecanică,

industria alimentară etc.

O gamă atât de largă de aplicații ale VB se datorează numărului mare de soluții tehnologice posibile implementate cu ajutorul lor: numărarea numărului de obiecte,

controlul poziției obiectului,

înregistrarea prezenței sau absenței unui obiect,

selectarea obiectelor în funcție de dimensiunile, culoarea și alte proprietăți fizice,

determinarea vitezei,

determinarea unghiului de rotatie

si multe altele

Avantajele comutatoarelor fără contact:

fiabilitate ridicată;

dependența neechivocă a valorii de ieșire de valoarea de intrare;

stabilitatea caracteristicilor în timp;

dimensiuni și greutate reduse;

fără impact din spate asupra obiectului;

lucrează în diferite condiții de funcționare.

Referințe

1. Revista „Electronica modernă” Nr. 6 2006

2. Site-ul www.sensor-com.ru

3. Site-ul web www.datchikisensor.ru

4. Mil G. Telecomanda electronica a modelelor. - M.: 1980.

5. Frasină. Zh. et al. - Senzorii sistemelor de măsurare - M.: 1992.

6. Revista „Componente și tehnologii” nr. 1 2005, articol de Alexander Krivoruchenko „Senzori de poziție fără contact. Probleme de selecție și practică de aplicare” 2005.

7. Site-ul ru.wikipedia.org

Postat pe Allbest.ru

...

Documente similare

Proiectarea și principiul de funcționare a senzorilor de deplasare de diferite tipuri: capacitivi, optici, inductivi, curenți turbionari, ultrasonici, magnetorezistivi, magnetostrictivi, potențiometrici, pe baza efectului Hall. Domenii de utilizare a dispozitivelor.

rezumat, adăugat 06.06.2015


Conceptul și proprietățile generale ale senzorilor. Luarea în considerare a caracteristicilor de funcționare ale senzorilor de viteză și accelerație. Caracteristicile metodelor optice, electrice, magnetice și de măsurare a radiațiilor. Analiza senzorilor optici reali, de viteză de rotație și de accelerație.

lucrare curs, adăugată 14.01.2016


Principiul efectului Faraday în funcționarea senzorilor de curent cu fibră optică. Dezvoltarea și cercetarea fibrelor optice microstructurate. Comparație dintre senzorul cu fibră optică și transformatorul de curent. Aplicații potențiale ale senzorilor de curent cu fibră optică.

rezumat, adăugat 11.12.2015


Schema bloc, caracteristicile și modurile de funcționare ale microcircuitului convertor Angle-Code pentru procesarea semnalelor de la senzori inductivi de tip SKVT (transformatoare rotative sinuso-cosinus). Comparația sa cu analogi străini și module bazate pe acestea.

articol, adăugat 28.01.2015


Definirea conceptului de senzori cu termistori. Caracteristici generale ale detectoarelor rezistive de temperatură. Calculul coeficientului de rezistență (semiconductor sau conductor), moduri de funcționare ale dispozitivului. Luarea în considerare a modalităților de utilizare a termistorilor.

rezumat, adăugat 01.12.2016


Senzori fotoelectrici de poziție, caracteristici, domeniul de aplicare, principiul funcționării acestora. Contoare cu ultrasunete cu ieșiri digitale și analogice, avantajele acestora. Senzori inductivi de poziție și deplasare, principiu de măsurare, diagramă de conectare.

lucrare curs, adaugat 25.04.2014


Un senzor este un element al unui dispozitiv de control, un convertor primar al unei cantități controlate într-un semnal convenabil: principiu de funcționare, diagrame de conectare la un microcontroler (MK). Caracteristicile generale ale senzorilor capacitivi cu un indicator sonor, calculul parametrilor.

lucrare curs, adaugat 12.04.2011


Determinarea principiului de funcționare al unui senzor de prezență capacitiv. Scheme de conectare a senzorilor pentru adăugarea de containere la MK. Caracteristicile tehnice și construcția circuitului electric al dispozitivului cu indicator sonor. Aplicarea detectoarelor de securitate pentru spațiile PIK.

lucrare curs, adaugat 23.09.2011


Proiectarea unui modul de calcul format din 2 senzori de presiune și 4 senzori de temperatură (până la +125 și până la +400). Întocmirea unei scheme pentru conectarea senzorilor. Scrierea de programe demonstrative pentru lucrul cu dispozitivele ADC DS18B20, DS2450 și MPX2010.

lucrare de curs, adăugată 24.12.2010


Schema generală a unui senzor de nivel capacitiv. Indicatoare de nivel radar, domenii de aplicare a acestora. Montare verticală a senzorilor. Principiul de funcționare al unui comutator rotativ de nivel. Senzor de nivel de umplere de tip vibrator. Metode de instalare a senzorilor rotativi.