Датчики силы, момента и давления

Многие типы датчиков силы/моментаоснованы на измерении де­формаций. Датчики для измерения деформаций называются тензодатчикамй. Принцип действия таких датчиков основан на изменении электрического сопротивле­ния в образце, который подвергается воздействию внешних сил (пьезорезистивный эффект). Относительное изменение сопротивления как функция действующей на датчик силы зависит от используемого материала: у полупроводникового датчика оно на 1-2 порядка больше, чем у металлического. Чувствительный элемент у полу­проводникового датчика выполнен из монокристалла пьезорезистивного материала. Дополнительное преимущество полупроводниковых тензодатчиков — более высокое удельное сопротивление по сравнению с металлическими и, соответственно, мень­шее потребление мощности и выделение тепла.

Измерение моментов и сил необходимо во многих задачах, включая управление точным движением (например, перемещения и захваты в робототехнике) и передава­емой механической мощностью в двигателях и системах привода. Момент можно из­мерить либо на основе напряжений, возникающих в материале, либо на основе де­формации (прогиба). Измеряя угол скручивания оси датчиком углового перемещения, можно определить приложенный момент.

Давление можно измерить по соответствующей механической деформации, на­пример по изгибу трубки или отклонению мембраны. Мембрана присоединяется к кристаллу кварца, электроду конденсатора или дифференциальному трансформа­тору (рис. 2.8.). Благодаря пьезоэлектрическому эффекту деформированный квар­цевый кристалл генерирует разность потенциалов. Изменение емкости конденсато­ра, присоединенного к мембране, можно измерить каким-либо электрическим методом. Выходной электрический сигнал в обоих случаях связан с приложенным усилием и деформацией измерительной головки.

Дифференциальный трансформатор— это датчик, используемый для измерения перемещений. Обычно он состоит из ферромагнитного сердечника, движущегося внутри двух обмоток трансформатора. Одна обмотка питается переменным током, а со второй снимается выходной сигнал. Обмотки соеди­нены таким образом, чтобы в нейтральном положении сердечника выходное напряжение было равно нулю. Любое перемещение сердечника пропорционально изменяет выходное напряжение.

Измерение давления используется для определения других величин. Например по давлению на дне заполненного жидкостью сосуда можно определить ее уровень.

Датчики движения

(перемещения, угла поворота, скорости, частоты вращения, ускорения).

Датчики движения измеряют четыре кинематические величины:

- перемещение (изменение положения, расстояния, степени приближения, раз­мера, угла поворота);

- скорость (включая угловую);

- ускорение;

- удар.

Каждая из этих величин является производной по времени от предшествующей. Теоретически можно измерить только одну из них и затем получить остальные диф­ференцированием или интегрированием. На практике, однако, такой подход непри­емлем из-за природы сигнала (постоянный, переходный и т. д.), частотного спектра, шумов и возможностей средств обработки данных.

Контроль параметров движения обязателен для приложений, в которых исполь­зуется механическое оборудование — сервосистемы, роботы, электроприводы или другие манипуляторы. Измерение перемещений применяется при управлении поло­жением клапанов. Толщина пластин в прокатном стане постоянно контролируется системой управления калибровкой. Датчики деформаций — это устройства, которые измеряют механическое напряжение, давление и силу, но могут применяться и для измерения перемещений. В системах мониторинга состояния и предупреждения от­казов механического оборудования широко используются акселерометры.

Для измерения параметров движения применяются следующие типы устройств:

- потенциометры для измерения перемещений; они работают как переменные резисторы;

- датчики на основе принципа электромагнитной индукции, например дифферен­циальные трансформаторы, резольверы, синхротрансформаторы (сельсины);

- емкостные датчики для измерения малых перемещений, вращений и уровней жидкости;

- пьезоэлектрические датчики для измерения давления, напряжения, ускорения, скорости, силы и момента (пьезоэлектрический материал деформируется под действием приложенной разности потенциалов или вырабатывает разность по­тенциалов при механическом воздействии);

- лазерные датчики для точного измерения малых перемещений;

- ультразвуковые датчики для измерения расстояний в медицинских приборах, системах автофокусировки фото и телекамер.

В рамках сегодняшней лекции остановимся на принципах работы датчиков углов поворота (угловой скорости) резольверах и тахометрах.

Тахометр

Тахометр представляет собой генератор постоянного тока с постоянными магнитами, применяемый для измерения угловой скорости. Принцип его дей­ствия иллюстрируется рис. 2.9.

Магниты создают постоянное однородное магнитное поле. Движение про­водника в поле индуцирует напряжение, пропорциональное скорости его вра­щения. Ротор непосредственно соединен с объектом, скорость вращения кото­рого измеряется. Выходное напряжение, генерируемое в процессе вращения, снимается коллектором, который состоит из пары угольных щеток с низким сопротивлением. Тахометр обычно создает очень маленькую дополнительйую механическую нагрузку для больших валов, на которые он устанавливается. Анализируя динамику тахометра, можно утверждать, что его частотный диа­пазон обычно значительно шире, чем у механического двигателя при его нор­мальной нагрузке. Поэтому индуктивность и другие электромагнитные Пара­метры тахометра обычно не влияют на результаты измерения.

Резольвер

Резольверыприменяются в приложениях, где требуется очень точное измерение угловых перемещений и скорости, например в сервосисте­мах и роботах. Выходной сигнал резольвера — это мера углового перемещения; дифференцирование этого сигнала дает угловую скорость. Резольвер работает на принципе измерения взаимоиндукции между двумя обмотками (рис. 2.9.). Ротор револьвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение U_оп. Статор состоит из двух обмоток, развернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих обмотках определяется согласно выражений:

соответственно, где — угловое положение ротора.

Можно сказать, что выходные напряжения U₀₁ и U₀₂ представляют собой напряжение U_оп промодулированное величиной угла . Используя одно из выходных напряжений, можно однозначно измерить углы лишь в диапазоне от 0° до 90°, оба сигнала позволяют однозначно измерять углы от 0° до 360°.

Выход резольвера есть тригонометрическая функция угла. Эта нелиней­ность, однако, не всегда является недостатком. Например, при управлении вращающими моментами в роботах требуются именно тригонометрические функции углов поворота. Поэтому выходной сигнал резольвера можно непо­средственно использовать для управления без дополнительного преобразова­ния в реальном времени, которое увеличило бы загрузку управляющего ком­пьютера.

Обычно резольвер дает хорошее разрешение и высокую точность. Он имеет высокий уровень выходного сигнала и низкий выходной импеданс. Полоса пропускания резольвера зависит от частоты источника напряжения. Пробле­мы при работе резольвера могут возникать только из-за щеток ротора (износ, дополнительные шумы и механические нагрузки). Резольверы поставляются в виде полнофункциональных автономных устройств.

Потенциометры - приборы, широко используемые в устройст­вах автоматического управления, контроля, следящих и отсчетных устройствах.

Потенциометричеекий датчик (ПД) соответствует устройству, у которо­го изменяемый под действием входного сигнала параметр представ­ляет собой активное сопротивление потенциометра R_п .

ПД является элементом автоматики, предназначенным для из­мерения и преобразования механического перемещения (углового или линейного) в электрический сигнал за счет изменения величи­ны активного сопротивления.

Таким образом, основным элементом ПД является переменный резистор, подвижный контакт которого перемешается под действием механического усилия, передаваемого объектом, перемещение кото­рого (угловое или линейное) необходимо измерить.

В ПД в качестве резисторов могут использоваться резисторы, выполненные из специальной высокоомной проволоки, пленочные резисторы, и фофотопотенциометры.

Важную роль в конструкции проволочных и пленочных потенцио­метров играет подвижный контакт (шетка). Щетки состоят из упру­гого элемента и контакта. Упругий элемент обеспечивает необхо­димое контактное давление. Контакт изготовляется из материала, обеспечивающего малое переходное сопротивление. Для повышения эксплуатационной надежности используется их дублирование.

Потенциометрические датчики широко ис­пользуются в системах автоматического управления для выполне­ния следующих функций:

- измерителей-преобразователей углового или линейного пере­мещений;

- измерителей-преобразователей угла рассогласования в сле­дящих системах;

- задатчика программы.

В системах автоматического управления обычно используются ПД на линейных потенциометрах с равномерно распределенным по длине (или дуге) сопротивлением.

Известны одно и двухтактные схемы ПД. Однотактные пре­образователи способны передать информацию лишь о величине угла поворота входного вала. Наиболее широкое использование получи­ли двухтактные преобразователи, которые способны передавать ин­формацию как о величине , так и о знаке перемещения или угла поворота входного вала.

Все ПИП могут питаться как постоянным, так и переменным то­ком.

Принцип работы однотактного ПИП не зависит от конструктивного выполнения переменного резистора (проволочный, пленочный или фотопотенцио­метр) и может быть рассмотрен на примере схемы, изображенной на (рис. 5.4), где Rп - сопротивление потенциометра; Rн -сопротивление нагрузки; Uп - питающее напряжение; В - под­вижной контакт, который перемешается по Rп под действием входного механического перемещения Хвх . Под действием Uп по цепи: «+» Uп — участок потенциометра потечет ток I = Iп + Iн. В точке В ток разветвляется по двум параллельным цепям: участок ВС потенциометра Rп и сопротивление нагрузки Rн и далее на "–" источника питания Uп.

Величина тока нагрузки зависит от Rн и подводимого напря­жения с участка ВС потенциометра. Величина этого напряже­ния зависит от положения подвижного контакта В и будет мак­симальна в верхнем (по схеме) положении подвижного контак­та и равна нулю в нижнем.

Таким образом, происходит измерение и преобразование вход­ной механической величины Хвх в выходной электрический сигнал Uвх = f(Хвх).

Теперь рассмотрим двухтактный ПИП, собранный на одном по­тенциометре со средней точкой (рис. 2.2). Выходное напряжение снимается между средней точкой потенциометра и под­вижным контактом. Если подвижной контакт находится на сере­дине резистора (в его средней точке), то выходное напряже­ние разно нулю.

При перемещении подвижного контакта от средней точки вверх или вниз (по схеме) диапазон изменения относительного переме­щения, Х составляет 0…0,5.

Особое внимание следует обратить на тот факт, что при пере­ходе подвижного контакта через среднюю точку происходит изменение знака выходного сигнала на обратный.

В настоящее время все большее распространение получают фотопотенциометры (ФП). Основная идея оптоэлектронного бесконтакт­ного потенциометра заключается в исключении подвижного элект­рического контакта и замене его фотоэлектрическим. При этом устраняется большинство недостатков электромеханических неточ­ных потенциометров.

Конструктивно оптоэлектронный бесконтактный потенциометр состоит из позиционно чувствительного фотоприемника, источника света и оптического устройства формирования светового зонда (щетки), который врезультате внешнего (входного) механиче­ского воздействия перемещается вдоль активной поверхности фотоприемника.

В основной своей части фотопотенциометр, схематическое устройство которого представлено на (рис. 5.6,9) , является трехслойной тонкопленочной структурой, состоящей из распреде­ленного рэисторного слоя 1, фотопроводяшего слоя 2 и экви­потенциального коллектора 3, расположенных в контакте друг с другом на диэлектрической подложке 4 .

Световой зонд 5, который вместе с коллектором выполняет функции щетки электромеханического потенциометра, создает на ограниченном участке фотослоя избыточную про­водимость, вследствие чего между резистором и коллектором на этом (освещенном зондом) участке возникает проводящий (фотоэлектрический) контакт. Выходное напряжение Uвых фотопотенциометра, являясь функцией положения светового зонда на фотослое, снимается с сопротивления нагрузки rh .

На основании анализа конструктивных особенностей, условий работы и информационных возможностей потенциометрических датчиков можно сформулировать их основные до­стоинства и недостатки.

К достоинствам можно отнести:

- простоту конструкции, малый вес и габариты;

- возможность работы как на постоянном, так и на переменном
токе;

- достаточные линейность и стабильность статических харак­теристик.

Недостатки:

- низкая надежность, из-за наличия трущегося контакта, окисления провода обмотки резистора, малый срок службы;

- наличие момента сухого трения;

- ограниченная .разрешающая способность;

- сравнительно небольшой коэффициент передачи;

- большой порог чувствительности, что ограничивает возмож­ности применения для измерения малых отклонений;

- влияние нагрузки на характеристики преобразователя;

- сложность технологии изготовления потенциометров.

Применение бесконтактного фотопотенциометра позволяет устра­нить большинство перечисленных недостатков и существенно по­высить надежность и увеличить срок службы ПД.

Индуктивные датчики

Индуктивным датчиком (ИД) называется элемент автоматики, осу­ществляющий преобразование механического перемещения (углового или линейного) в электрический сигнал путем изменения индуктив­ности дросселя за счет перемещения одной из подвижных его деталей, обычно якоря.

Индуктивные датчики относятся к классу параметрических. Изменение положения якоря вызывает изменение параметров его магнитной и электрической цепей, что, в свою очередь, вызывает изменение выходной величины - электрического тока.

В зависимости от конструктивного исполнения индуктивные дат­чики делятся на однотактные и двухтактные.

Однотактный индуктивный датчик

Однотактный индуктивные датчик представляет собой магнитную цепь с воздушным зазором (рис. 13, а). На рис. 13, а обозначено:

1 - магнитопровод; 2 - якорь; 3 - катушка индуктивности; Rн - сопротивление нагрузки. Магнитопровод и. якорь выполняются из магнитно-мягкого материала.

С изменением величины воздушного зазора ……..изменяется магнитное сопротивление цепи, что, в свою очередь, вызывает из­менение индуктивности катушки дросселя датчика. Так как катушка датчика включена в электрическую цепь переменного тока, то с изменением индуктивности катушки меняется и полное сопротивление переменному току.

На основе этих рассуждений получим выражение , определяющее зависимость тока в обмотке датчика от величины dв. По закону Ома величина тока в нагрузке

где: U – напряжение питания датчика;

Z – полное сопротивление катушки;

R – активное сопротивление катушки;

w - угловая частота питающего напряжения;

W – число витков катушки;

Rм.ст – магнитное сопротивление стали;

dв – длина воздушного зазора;

mо – магнитная проницаемость воздушного зазора4

Sм – площадь поперечного сечения магнитопровода в зоне воздушного зазора. Отсюда видно, что величина тока в катушке датчика зависит от длины воздушного зазора d в, частоты напряже­ния источника питания w и величины активного сопротивления R при неизменных конструктивных параметрах датчика.

На рис. 13, 6" приведена характеристика Iн = f(dв) простейше­го однотактного индуктивного датчика. Участок А - В на рис.13, является рабочим участком статической характеристики датчика.

В большинстве конструкций' индуктивных датчиков при ненасы­щенном магнитопроводе величина воздушного зазора такова, что магнитное сопротивление зазора значительно больше магнитного сопротивления магнитопровода, т.е. Rм.d>>Rм.ст. активное сопротивление катушки значительно меньше индуктивного сопротив­ления, т.е. R <<wL.

Следовательно величинами Rм.ст и R можно пренебречь, и тогда формулу (…) можно записать в упрощенном виде:

где w = 2pf - угловая частота переменного тока в обмотке датчика.

При неизменных амплитуде и частоте питающего напряжения значение

и ток в цепи датчика

может меняться только за счет изменения длины воздушного зазо­ра dв . Коэффициент КI называется коэффициентом передачи дат­чика по току. При принятых упрощениях характеристика датчика получается линейной штриховая линия на рис. 13, ,б, тогда как реальная характеристика имеет два нелинейных участка. Нижний участок ("загиб") характеризуется наличием магнитного сопротив­ления сердечника и якоря, которые при очень малых зазорах оказы­вается того же порядка, что и сопротивление зазора (Rст. ¹ 0 ), и пренебречь им нельзя. Верхний участок ("загиб") характеризуется наличием активного сопротивления обмотки, которое ограничивает нарастание тока в цепи , когда активное сопротивле­ние становится сравнимым о индуктивным (R ¹ 0) при больших зазорах.

Величину первоначального зазора dв нужно выбирать в середиине линейного участка характеристики датчика (точка В на рис….)

Рассмотренный датчик (рис. 13, а) имеет ряд существенных недостатков:

1)фаза тока на выходе датчика не меняется на противополож­ную при изменении направления перемещения якоря;

2)наличие напряжения на выходе при отсутствии преобразуемого сигнала (наличие напряжения холостого хода);

3)воздействие в процессе работы датчика на якорь силы при­тяжения к магнитопроводу, которая ничем не уравновешивается и, естественно, вносит погрешность в работу датчика.

Указанные недостатки и ограничивают область применения прос­тейшего индуктивного датчика.