Oslash; Датчики перемещения

В отличие от преды­дущих датчики переме­щения контролируют объект не в точке про­странства, а на опреде­ленном участке его тра­ектории. Этот участок именуется диапазоном измерения датчика. В зависимости от того, какого рода движение контролирует датчик, они подразделяются на линейные и поворотные. Все датчики перемеще­ния являются параметриче­скими. Пропорционально изменению положения контролируемого объекта внутри диапазона измерения у них изменяется один из параметров выход­ной электрической цепи. В зависимости от вида изменяемого выходного па­раметра они подраз­деляются на датчики активного, индуктивного и емкост­ного сопротив­ления.

Датчики активного сопротивления подразделяются на датчики, контролирующие линейное перемещение объекта и поворотные. По мате­риалу датчики подразделяются на металлические (проволочные) и уголь­ные. Проволочные линейные датчики получили название реостаты. В элек­тротехнике угольные поворотные датчики получили распространение в не­свойственной им области – для изменения напряжения на объектах, после­довательно или параллельно подключенных им. Отсюда второе название всей группы датчиков активного сопротивления – потенциометрические, т.е. изменяющие напряжение.

Линейные проволочные датчики активного сопротивления (реостаты). Конструкция реостата приведена на рис. 38,а. Ос­новой его является катушка из лакированной проволоки, намотанной на диэлектриче­ский сердечник. По катушке скользит подвижный кон­такт. На беговой до­рожке контакта изоляционный лак удален. У этого и всех остальных типов датчиков активного сопротивления подвиж­ный контакт именуется ламелью.

а	б	в

Рис. 38. Проволочные датчики активного сопротивления: а – проволочный линейный; б – проволочный поворотный; в – обозначения датчика на схемах

Поворотные проволочные датчики активного сопротивления. В отличие от предыдущих у этих датчиков ламель представляет собой пово­ротный рычаг достаточно большой длины (рис. 38,б). Беговая дорожка – дуга большого радиуса, приближенная к прямой. Конструктивно механи­ческая часть этого датчика более проста. Вместе с тем зависимость сопро­тивления от угла поворота есть величина нелинейная, подчиненная сину­соидальному закону, что необходимо учитывать при проектировании при­вода датчика. Пример применения – регистрирующая часть датчиков усилия и угла поворота стрелы ограничителя грузоподъемности ОГП-1 стреловых кранов.

Линейные и поворотные угольные датчики активного сопро­тив­ления. Неподвижным контактом у этих датчиков является не проволочная спираль, а угольная пластина клиновой формы. За счет изме­нения сечения неподвижного контакта при перемещении ламеля сопротив­ление датчика изменяется по более крутой, чем у проволочных датчиков, в зависимости от перемещения, т. е. они обладают большей чувствитель­ностью. Эти датчики применяются в путевых машинах, например, как точные потенциометры положений нивелировочного троса рихтовочных систем машин ВПР02, ВПРС500

Общим достоинством для всех датчиков активного сопротивления является их универсальность – с равным успехом они применяются в цепях как постоянного, так и переменного тока. Недостатком их является трение между ламелью и беговой дорожкой, следовательно, износ контактов и ис­крение.

Индуктивные датчики перемещения. К ним относятся линейные датчики, поворотные трансформаторы и сельсины.

Линейные индуктивные датчики перемещения. Для точного изме­рения малых расстояний (например, в автоматизированных металлорежущих станках) служат датчики с переменным зазором. Одинарный датчик приве­ден на рис. 39,а. Выходной величиной является ток в индуктивной ка­тушке

, (20)

где U – напряжение питания.

Входной величиной является зазор d между подвижным якорем и магнитопроводом. Характеристика датчика, т. е. зависимость I = F(d), формулы (17)–(20), имеет нелинейный характер. В цепях управления более предпочтительны устройства с линейной зависимостью выходной величины.

Для увеличения рабочего диапазона применяется дифференциальный ин­дуктивный датчик (рис. 39,б). Он состоит из двух симметрично расположенных катушек индуктивности и общего якоря. Рабочий диапазон представляет собой две симметрично рас­положенные прямые линии, проходящие через начало координат.

а	б

Рис. 39. Линейные индуктивные датчики перемещения: а – одинарный; б – дифференциальный

Для измерения расстояний, бóльших, чем в предыдущем случае, ис­пользуются датчики с подвижным сердечником (рис. 40). Для датчиков такого типа формула (18) преобразуется в вид

, (21)

где l – длина магнитопровода, m_S – суммарная магнитная проницаемость среды внутри катушки. Среда состоит из двух компонентов – на участке x – сердечник и воздушный зазор d, на участке (L–x ) – только воздух. Коэффи­циенты магнитной проницаемости: для воздуха – m = 1; для стали – m = 49800.

, (22)

где V – объем пространства внутри ка­тушки.

Из формулы (22) видно, что датчик обла­дает нелинейной характеристикой. Тем не менее из-за достоинств, общих для всех индуктивных датчиков, использо­вание их с подвижной катушкой при не очень высоких требованиях к точности измерений весьма эффективно.

Поворотные (вращающиеся) трансформаторы являются электри­ческими машинами с неявно выражен­ными полюсами и служат индуктивными датчиками угла поворота. Имеют непод­вижный статор и вращающийся ротор, связанный с определяемым объектом. В пазы статора и ротора уложены по две взаимно-перпендикулярные обмотки, в статор – первичные, в ротор – вторичные. При изменении положения ста­тора меняется и напряжение на выходе вторичных обмоток при неизменности напряжения на первичных. Так, для синусно-косинусного трансформатора СКВТ вторичное напряжение

, (23)

где U₁ – первичное напряжение; a – угол поворота; k_T – коэффициент трансформации при a = 0. Вид формулы (23) показывает, что харак­теристика вращающегося трансформатора нелинейна. Это является единст­венным недостатком данного датчика.

Сельсины представляют собой электрические микромашины с од­нофазной обмоткой возбуждения и трехфазной вторичной обмоткой. Пол­ностью обратимы: в зависимости от условий могут применяться и как элек­тродвигатели и как генераторы. Служат для измерения угловых перемеще­ний. Принцип работы сельсина состоит в следующем. При включении ста­торной обмотки в сеть переменного тока напряжением U_п (рис. 41,а), она создает пульсирующий магнитный поток, который индуцирует в каждой фазе роторной обмотки эдс, зависящей от угла поворота ротора a:

(24)

Величина напряжения в любой фазной обмотке позволяет судить об угле поворота ротора. Сельсины применяются попарно, причем один рабо­тает как электродвигатель, а другой – как генератор. Известны две схемы подключения сельсинов – индикаторная и трансформаторная.

а	б	в

Рис. 41. Схемы сельсинов: а – схема обмоток; б – индикаторная схема; в – трансформаторная схема

Индикаторная схема изображена на рис. 41,б и служит как син­хронная система дистанционной передачи информации об угле поворота, на­пример в приводе самописца, регистрирующего положение контрольной те­лежки путерихтовочной машины. Сельсин-пара состоит из сельсин-датчика (СД) и сельсин-приемника (СП). Все обмотки как возбуждения ОС₁ и ОС₂, так и вторичные ОР₁ – ОР₆ – соединены параллельно. При пово­роте ротора СД, работающего как генератор на угол a₁, в цепях связи на­водятся уравнительные токи I, стремящиеся повернуть ротор СП (электродвигателя) на угол a₂.

Трансформаторная схема приведена на рис. 41,в. Она служит как датчик угла поворота, например, в системе регулирования тягового усилия неполноприводного тягача (система следит за рассогласованием частот вращения буксующих приводных и неприводных колес). В отличие от пре­дыдущей схемы статорные обмотки разделены. Статорная обмотка СД подключена к питанию, статорная обмотка СП является выходной: с нее снимается напряжение U_вых. Для того чтобы схема работала в трансформа­торном режиме, ротор СП должен быть заторможен. Схема представляет собой спаренный поворотный трансформатор. Поворот ро­тора СД вызывает в цепях связи уравнительные токи I. Так как ротор СП за­клинен, уравнительные токи наводят в статорной обмотке СП электродвижущую силу (эдс) U_вых, пропорциональную углу поворота ротора СДК общим достоинствам индуктивных датчиков перемещения стоит отнести их высокую надежность и отсутствие подвижных электрических контактов, поэтому, нет износа и искрения. К недостаткам – ограничение по применимости (только в цепях переменного тока), высокие требования к стабильности частоты питающего напряжения.

Емкостные датчики перемещения.

Емкостное сопротивление конденсатора определяется по формуле

, (25)

где f – частота переменного тока, C – емкость конденсатора,

, (26)

где e – диэлектрическая постоянная материала диэлектрика; S – площадь пла­стин; d – зазор между пластинами. В емкостных датчиках перемещения ис­пользуется изменение всех трех переменных правой части формулы (26).

Емкостные датчики с переменной площадью пластин. На рис. 42,а изображен поворотный датчик (угол измерения – до 180°). Пластины поворотной и неповоротной части чередуются. Площа­дью пластин конденсатора является площадь перекрытия (заштрихована). Принцип действия линейного датчика понятен из рис. 42,б, здесь X – те­кущее значение перемещения, L – диапазон измерения.

а	б

Рис. 42. Датчики с переменной площадью пластин: а – поворотные; б – линейные

Емкостные датчики с переменным зазором служат для точного из­мерения малых линейных перемещений. При перемещении подвижной пла­стины (или пакета пластин) изменяется зазор, следовательно, и емкость.

Емкостные датчики с переменной диэлектрической проницаемо­стью среды служат для измерения уровня жидкости и представляют собой бак с центральным стержнем трубчатого сечения (рис. 43).

Стенки бака являются одной из пластин конденсатора, стержень – дру­гой. Так как жид­кость и ее насыщенный пар обладают разными e, при измене­нии уровня жидкости емкость конден­сатора и, следовательно, его емкост­ное сопротив­ление изме­няются.

Главными достоинствами емкост­ных дат­чиков перемещения являются их высокая точность и отсутствие под­вижных элек­трических контактов, т. е. от­сутствие износа и ис­крения. Недостатком является ограни­ченность применимости – они доста­точно эффективны только в вы­сокочастотных цепях переменного тока.

Контрольные вопросы и задания

1. Назовите отличия датчиков положе­ния и перемещения.

2. В чем главный недостаток датчиков положения прямого действия?

3. От чего зависит скорость размыкания контактов в датчике поло­жения мгновенного действия?

4. Назовите достоинства и недостатки герконовых конечных выключателей.

5. В чем принцип действия мультивибратора ?

6. Каково условие открытости p–n–p-транзистора. Опишите режим «Выключено» бесконтактного выключателя.

7. Опишите режим «Включено» бесконтактного выключателя.

8. Назовите достоинства и недостатки датчиков перемещения активного со­противления.

9. Назовите достоинства и недостатки индуктивных датчиков перемещения?

10. Какие ограничения применимости емкостных датчиков перемеще­ния?