Лекция 4 Датчики положения и перемещения

Датчики являются механическими аналогами рецепторов органов чувств. Они поставляют в систему управления информацию о внешней по отношению к управляемому устройству ситуации. Существуют и датчики, сигнализирующие о внутреннем состоянии объекта, например, давление масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, положение под­вижных звеньев манипулятора промышленного робота и так далее. Как многообразна физическая природа процессов, за которыми следят датчики, так многообразна и природа первичного сигнала на входе в датчик. Рас­смотреть все многообразие датчиков в ограниченном объеме данного курса лекций невозможно, да и не нужно. Мы ограничимся датчиками, характер­ными для систем управления подъемно-транспортных, строительных, до­рожных, путевых машин и технологического оборудования машинострое­ния, строительной индустрии и путевого хозяйства. Таковыми являются: дискретные датчики по­ложения (конечные выключатели), датчики перемещения, скорости, усилия, ускорения, давления, температуры. С этими датчиками и ознакомимся в данной лекции.

Ø Дискретные датчики положения (конечные выключатели)

Данные датчики регистрируют наличие или отсутствие наблюдае­мого объекта в определенной точке (дискрете) пространства. Эта точка именуется точкой настройки или точкой срабатывания датчика. Сигнал на входе датчика может принимать только два значения – «объекта в точке на­стройки нет» и «объект в точке настройки есть». Выходом датчика является участок электрической цепи. В зависимости от входного сигнала ситуация в выходной цепи может быть двух видов – «выходная цепь разомкнута» и «выходная цепь замкнута». Как правило, эти датчики регистрируют переход объектом границы опасной зоны или окончание рабочего хода объекта. От­сюда второе распространенное название дискретных датчиков положения – конечные выключатели. Непосредственно с датчиком контактируют управ­ляющие элементы, крепящиеся к наблюю­даемому объекту. Если объект в точке настройки прекращает движение (работает «в упор»), то управляю­щий элемент именуется упором. Если объект после контакта с датчиком может продолжить перемещение (работает «на проход»), то управляющий элемент называется линейкой. С целью более точной установки точки на­стройки, упоры и линейки делаются регулируемыми. Дискретные датчики положения являются очень распространенными элементами систем управ­ления и в силу этого обладают большим разнообразием типов. Классифика­ция дискретных датчиков положения приведена на рис. 29.

Рис. 29. Классификация дискретных датчиков положения

Контактные конечные выключатели прямого действия. У этих датчиков перемещение управляющего элемента механически жестко, на­прямую, связанно с перемещением подвижного элемента выходной кон­тактной группы (отсюда и название). Типичным представителем датчиков данного типа является конечный выключатель серии ВПК 21 . Последние две позиции в маркировке обозначают исполнение рабочей головки выклю­чателя и типоразмер контактной группы.

Конструкция выключателя приве­дена на рис. 30,а. Плунжер 1 сменной рабочей головки 2 связан с ползу­ном 3 контактного мостика 4 через герметичную мембрану 5. Ползун снаб­жен возвратной пружиной 6. Во избежание поломки контактов при боль­шом ходе плунжера контактный мостик снабжен компенсаторной пружиной 7. Контактный мостик может в зависимости от положения плунжера замы­кать цепь или между нормально замкнутыми 8, или между нормально ра­зомкнутыми 9 контактами. Все элементы, за исключением рабочей головки, размещаются в герметичном корпусе из силуминового сплава 10. Корпус снабжен тремя резьбовыми гнездами. При монтаже ненужные гнезда закры­ваются заглушками 11, а в остальные вворачиваются герметичные сальни­ковые вводы проводов 12. Так как электрическая часть выключателя пол­ностью герметична, выключателю присвоена категория размещения У3 (под открытом небом, в умеренном климате).

а б

Рис. 30. Дискретные контактные датчики положения: а – конечный выклюю­чатель ВПК 211; б – микропереключатель типа МП; 1 – плунжер; 2 – рабочая головка; 3 – ползун; 4 – контактный мостик; 5 – мембрана; 6 – возвратная пружина; 7 – компенсаторная пружина; 8 – нормально замкну­тые контакты; 9 – нормально ра­зомк­ну­тые контакты; 10 – корпус; 11 – заглушка; 12 – сальниковый ввод; 13 – выходные клеммы; 14 – контактный мостик

В нормальном состоянии выключателя контактный мостик замыкает контакты 8. При нажатии управляющим упором на плунжер сначала размы­каются контакты 8, а при продолжении хода плунжера – замыкаются кон­такты 9. Свободный ход поглощается пружиной 7.

Конечные выключатели серии ВПК соответствуют требованиям ГСП по унификации и поэтому яв­ляются объектами этой классификации. В целях повышения универсально­сти они выпускаются со сменными рабочими головками (рис. 31). Селективная (т. е. различающая направ­ление движения управляющего элемента) головка (рис. 31, в) представ­ляет собой двухзвеньевой ломающийся рычаг с роликом на конце. При про­хождении управляющей линейки в рабочем направлении (на рисунке – слева направо), рычаг работает как одно целое, отклоняясь и нажимая на плун­жер. При обратном проходе рычаг складывается, при этом первое звено не перемещается и срабатывания датчика не происходит. Конечные выключатели серии ВПК являются автономными герме­тичными приборами. В случае, если дискретный датчик положения является частью привода, металлоконструкции или датчика более сложного уровня, в его качестве используется микропереключатель.

Конструкция типового микропереключателя приведена на рис. 30,б. Как правило, микропереключатели обладают открытыми выходными клеммами 13 под пайку или болтовое присоединение проводов.

Датчики типа ВПК:

Датчики типа ВК:

Рис. 31. Рабочие головки и рычаги дискретных контактных дат­чиков положения: а – плунжерная; б – неселективная роликовая; в – селективная роликовая; г – неселективный; д – селективный

Электроме­ханическая часть микропереключателя не герметична. Возвратной пружиной зачастую является выполненный в виде рессоры из пермаллоя (железно-ни­келевый сплав, обладающий хорошими механическими, магнитными и элек­трическими свойствами) контактный мостик 14. Компенсаторные пружины, как правило, отсутствуют – в силу этого микропереключатели особенно чув­ствительны к точности установки управляющих элементов.

Общим достоинством контактных дискретных датчиков положения прямого действия является относительная простота конструкции. Конечные выключатели серии ВПК абсолютно автономны, обладают большим числом сменных рабочих головок и в силу этого универсальны. Микропереключа­тели проще, меньше по размерам, легче, но менее универсальны и негерме­тичны (могут располагаться только внутри герметичных привода, меха­низма, металлоконструкции и так далее). Недостатком дискретных датчи­ков положения прямого действия является зависимость срока службы дат­чика от скорости перемещения управляющего элемента. Так, для ВПК21 при скорости перемещения управляющего элемента более 0,5 м/с паспорт­ная наработка на отказ составляет с 95-процентной вероятностью 20´10⁶ циклов сраба­тывания. При меньшей скорости наработка на отказ уменьшается до 10⁶ циклов. Дело в том, что при малых зазорах между контактами возникает электрический пробой воздушного слоя – искрение. При медленном расхо­ждении контактов искрение происходит относительно длительное время, что приводит к выгоранию контактов.

Контактные дискретные датчики положения мгновенного дейст­вия. В отличие от предыдущих, у датчиков данного типа механи­ческая и контактная часть связаны не на­прямую, а посредством специаль­ного меха­низма мгновенного дейст­вия. При этом замыкание-размыка­ние контактов происходит не со ско­ростью управляющего элемента, а с постоянной, дос­таточно высокой скоростью, задаваемой этим меха­низмом. Существует не­сколько ти­пов таких механизмов. Один из них изображен на рис. 32. Ку­лиса 1 закреплена на одном валу с ролико­вым рычагом 2, непосредственно контактирующим с управляющим элементом. Внутри кулисы установ­лен подпружиненный пружиной 3 ползун 4. Ползун упирается в Т-об­разный контактный мостик 5. При повороте кулисы острие ползуна скользит по верхней перекладине мостика. При прохожде­нии острием мертвой точки, мостик выходит из состояния устойчивого равновесия и со скоростью, за­да­ваемой пружиной, перебрасывается в другое положение. Промышленно­стью выпускаются датчики положе­ния мгновенного действия следую­щих типов: ВК-200; ВК-300; ВПК-11 – универсальные, общего на­значения; КУ70 – специализиро­ванные крановые (пустые позиции – номер типоисполнения). Внешний вид конечного выключателя КУ701 приведен на рис. 33. Роликовые рычаги, характерные для датчи­ков мгновенного действия типов ВК и КУ, приведены на рис. 31, г, д. Селективный роликовый рычаг обладает скошенным роликом, под­пружиненным пружиной кручения. При заходе управляющего эле­мента на ролик со стороны скоса (на рис. 31,д – слева) ролик поворачива­ется, пропуская упор без перемещения рычага. При за­ходе справа рычаг отклоняется, и датчик срабатывает. Срок службы этих датчиков не зависит от скорости перемещения управляющего элемента и состав­ляет порядка 20´10⁶ циклов сраба­тывания. Недостатком является относительная сложность механи­ческой части.

Герконовые датчики положения. Искрение контактов возможно только в воздушной среде, содержащей кислород. В среде инертных газов (например, аргон, гелий) и в вакууме электрический разряд не происходит. При этом значительно уменьшаются размеры контактов, а срок службы ста­новится практически неограниченным (по паспорту – до 10⁹ циклов сраба­тывания). Это удалось реализовать в герметичных контактных группах – герконах. Герконы являются составной частью герконовых датчиков поло­жения и реле.

Герконовые датчики положения могут быть магнитозамы­кающие (рис. 34,а) и магнитозамкнутые (рис. 34,б). Геркон пред­ставляет собой миниатюрную стеклянную ампулу, заполненную инертным газом, чаще всего аргоном. Ранее выпускались герконы с вакуум­ными ампулами. В нее впаяны уп­ругие нормально разомкнутые кон­такты из пермаллоя. Управляющим элементом магнитозамыкающего гер­конового датчика является постоян­ный магнит. При отсутствии магнита контакты за счет собственной упруго­сти разомкнуты.

а	б
Рис. 34. Герконовые датчики положения: а – магнитозамыкающие; б – магнитозамкнутые

При приближении магнита контакты, притягиваясь к нему, замыкаются.

У магнитозамкну­того герконового датчика магнит смонтирован в одном корпусе с гер­коном, постоянно замыкая его кон­такты.

Управляющим элементом яв­ляется экран, вводимый в зазор между магнитом и герконом. Магнитная связь при этом нарушается и контакты размыкаются. Герконовые датчики положе­ния обладают многими достоинст­вами. Они надежны (долговечность их ограничивается только усталостной изгибной выносливостью контактов), миниатюрны, удобны в монтаже. Вместе с тем вибрация и удары могут привести к ложному срабатыванию. Последнее резко ограничивает сферу их применения. Так, отечественные промышленные роботы первоначально комплектовались преимущественно датчиками такого типа. Но удары в конце хода плохо сдемпфированных приводов приводили к частым ложным срабатываниям, что заставило отка­заться от их применения. Известное распространение герконовые датчики положения получили в автоматизированном металлорежущем оборудова­нии, охранной сигнализации, клавиатуре ЭВМ.

Электронные бесконтактные датчики положения. В отличие от предыдущих, бесконтактные датчики положения не имеют электрических контактов в выходной цепи (отсюда и название). Принципиальная схема изображена на рис. 35. Принцип действия полупроводникового транзистора был нами рас­смотрен ранее, в соответствующей лекции. Для пояснения принципа дейст­вия бесконтактного датчика нам необходимо вспомнить условие открыто­сти эмиттерно-коллекторной цепи транзистора с n–p–n-переходом. Эмит­терно-коллекторная цепь открыта (т. е. с эмиттера на коллектор проте­кает ток, в десятки и сотни раз больший, чем с эмиттера на базу) если на эмиттере положительный потенциал, на базе – тоже положительный, но меньший, на коллекторе – отрицательный.

Рис. 35. Принципиальная схема бесконтактного датчика положения

Первая рабочая ситуация – на входе датчика отсутствует сигнал. Рас­смотрение работы датчика начнем с транзистора T₁. Как видно по схеме, и база, и эмиттер подключены к положительной клемме питания, причем база – через сопротивление R₁ (так называемое сопротивление базы). Это сопро­тивление служит для создания разницы потенциалов между эмиттером и ба­зой, которая, кроме этого, связана с отрицательной клеммой питания через цепь R₂ R₃. Коллектор связан с отрицательной клеммой питания через цепь L₁–R₃. Как видим, условие открытости соблюдено. Коллектор связан с ба­зой цепью обратной связи L₁–R₂. Эта схема представляет собой простей­ший мультивибратор –генератор колебаний. Работает он следующим об­разом. В начальный момент времени транзистор открыт, и по коллектору протекает ток. На прохождение электрическим током цепи L₁–R₂ требуется некоторое время. Через это время за счет поступления с коллектора по цепи обратной связи положительного потенциала потенциал на базе возрастает, и транзистор запирается. Ток в цепи обратной связи прекращается, потенциал на базе уменьшается до первоначального значения, и цикл повторяется. Та­ким образом в цепи L₁–R₂ генерируется переменный ток. Параллельно эмиттерной цепи подключен колебательный контур C₁–L₂. В данном случае он является резонатором – настроен в резонанс с колебаниями, генерируе­мыми мультивибратором. Катушки L₁ и L₂ являются индуктором перемен­ного маг­нитного поля W. Магнитное поле воспринимается приемником – индуктивностью L₃, преобразуясь в нем в переменную эдс. Далее ток по­ступает в контур из диода D₁ и конденсатора C₂. Они представляют собой простейший сглаживающий выпрямитель. После диода переменный ток преобразуется в отнулевой пульсирующий. В момент пика тока излишний ток заряжает конденсатор, а в момент токового провала конденсатор раз­ряжается, сглаживая пульсацию. Выпрямленный таким образом положи­тельный потенциал подается на базу транзистора Т₂. База транзистора свя­занна с положительной шиной питания через сопротивление R ₄, а эмиттер – через R₆, причем R ₄< R₆. При отсутствии на базе дополнительного отри­цательного потенциала от выпрямителя транзистор закрыт, а в данном слу­чае – открыт. Коллектор транзистора Т₂ связан с базой транзистора Т₃. При открытости Т₂ на базу Т₃ подается положительный потенциал, Т₃ также от­крыт, и сопротивление эмиттер-коллекторной цепи последнего незначи­тельно. Эмиттер и коллектор транзистора Т₃ связаны с выходными клем­мами датчика. В нормальном состоянии выходная цепь датчика оказывается замкнутой.

Вторая рабочая ситуация – на входе датчика появляется сигнал. Управляющим элементом датчика является экран, вводимый в зазор между индуктором и приемником. При этом магнитная связь между ними наруша­ется, и с базы транзистора Т₂ исчезает дополнительный потенциал смещения. Транзистор закрывается, положительный потенциал на базу Т₃ не пода­ется, последний закрывается. Сопротивление эмиттер-коллек­торной цепи возрастает настолько, что между выходными клеммами датчика электриче­ская цепь практически разрывается. Датчик сработал.

Торцевой типа БТП (рис. 36,а) и щелевой типа КВЛ (рис. 36,б) датчики отличаются компоновкой. Торцевой датчик размещен в резь­бовом цилиндрическом корпусе. В торце его концентрически расположены индукторы и приемник. Магнитное поле между ними имеет тороидные си­ловые линии. Управляющий экран приближается к этому торцу. Корпус ще­левого датчика имеет вырез между индуктором и приемником. Управ­ляю­щий экран вводится в этот вырез. Элементы электрических схем для герме­тичности заливаются компаундом.

а	б

Рис. 36. Электронные бесконтактные датчики: а – торцевой; б – щелевой

Бесконтактные датчики обладают практически неограниченным сро­ком службы, высокой надежностью, довольно малогабаритны, не требуют эксплуатационного обслуживания и просты в монтаже. К их недостаткам можно отнести сравнительно высокую стоимость и высокие требования к качеству стабилизации напряжения питания (по паспортным данным – по­стоянный ток напряжением 24±0,2 В).

Индукционные бесконтактные датчики положения. Индукционные датчики стоят несколько особняком в ряду остальных датчиков положения. В отличие от контактных и герконовых датчиков, выходная цепь которых имеет состояния «Цепь разомкнута» и «Цепь замкнута» или бесконтактных электронных «Цепь практически разомкнута» и «Цепь замкнута», индукци­онные датчики обладают состояниями выходной цепи «Цепь обладает большим сопротивлением» и «Цепь обладает малым сопротивлением». Рас­смотрим принцип действия данных датчиков на примере бесконтактного конечного выключателя (БКВ) (рис. 37). Датчик имеет две катушки ин­дуктивности L₁ и L₂, установленные на общем магнитопроводе. Поворот­ный якорь является рабочим элементом выключателя, контактирующим с управляющим элементом (на рисунке не показан). Между плечами якоря и магнитопроводом имеются зазоры d₁ и d_2. При переключении выключателя зазоры изменяются. Известно, что полное сопротивление индукционной ка­тушки в цепи переменного тока

, (17)

где R – активное сопротивление катушки, (Lw) – индуктивное сопротивле­ние, w = 2pf – угловая частота переменного тока с частотой f; L – индуктив­ность катушки

, (18)

где W – число витков катушки, S – площадь сечения потока в воздушном зазоре; d – величина воздушного зазора. Следовательно, приняв за константы R, w, W, S, можно записать

Z=F(d). (19)

Параметры датчика БКВ приняты та­ковыми, что сопротивление выход­ных цепей 1–2 и 3–4 во включенном и выключенном положении отличаются на несколько порядков (в тысячи раз).

Таким образом, одна из выход­ных цепей оказывается практически разомкнутой (ток по ней течет, но очень малый), а вторая – замкнутой и при переключении датчика положе­ние цепей меняется.

К достоинствам дат­чика стоит отнести его высокую надежность. К недостаткам – ограниче­ние по приме­нимости (только в цепях пере­менного тока), высокие требования к стабиль­но­сти частоты питающего напряже­ния.