Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин
Подождите немного. Документ загружается.
интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические
датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и
слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон
измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень
дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и
аналоговым выходом могут измерять расстояния в
широких пределах, однако
поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с
измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов.
Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут
измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на
измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно,
позволяет измерять с
ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.
Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности
приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров.
При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных:
малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности
и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее
подходят лазерные
датчики расстояния, работающие по принципу
оптической триангуляции.
На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния.
Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и
фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой
сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает
изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую
отраженный луч занимает на линейке фотодиодов.
Микроконтроллер
обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый
электрический сигнал.
Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в
сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях.
Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм
до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно
коротких расстояниях. Так что,
например, точность в 1 мкм на расстояниях в
1 метр получить вряд ли удастся.
Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний
позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом
производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом
усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая
точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом
общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность
в 1 мкм
типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.
Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния,
необходимо ответить на ряд вопросов, например:
Из чего состоит объект измерения?
Какое расстояние до объекта?
Какая требуется точность?
Насколько быстро движется объект?
Какие существуют внешние неблагоприятные условия?
Какой тип выходного сигнала необходим?
Насколько
ограничено пространство для установки датчика?
1.3 Емкостные датчики положения и перемещения объекта
Емкостные датчики перемещений имеют широкую сферу применения. Они
могут использоваться как самостоятельно для измерения перемещений, так и
входить в состав других датчиков. Могут измерять перемещение объектов
изготовленных из различных материалов.
Принцип действия датчиков основан на изменении геометрии конденсатора
или на изменении диэлектрических свойств среды, расположенной между его
обкладками. Датчики могут состоять
из одного или нескольких
конденсаторов (дифференциальный вариант или мостовой).
Рис. 1.4 Емкостной датчик контроля положения объекта:
А – уравновешенное состояние; Б – неуравновешенное состояние.
(1.1)
При измерении малых перемещений рабочая характеристика устройства
практически линейная.
На практике при измерении перемещения электропроводного объекта, его
поверхность часто играет роль пластины конденсатора. Собственная
пластина конденсатора должна быть экранирована, что позволяет повысить
линейность преобразования и уменьшить влияние краевых эффектов.
Типовой датчик перемещения работает на частотах в пределах нескольких
мегагерц, поэтому может
регистрировать быстрые перемещения объекта.
Емкостные датчики могут работать и с непроводящими средами и объектами,
но при этом их точность несколько ухудшается. Для улучшения
метрологических характеристик таких датчиков используют «активные
экраны», включая их в измерительную схему датчика.
Рис. 1.5 Емкостной датчик положения с экранирующим кольцом:
А – поперечное сечение; Б – внешний вид.
Рис. 1.6 Емкостной датчик положения объекта, с активным экраном вокруг
электрода.
В последние годы в датчиках перемещений широко стали применять
мостовые схемы включения конденсаторов. На рисунке показан линейный
мостовой датчик перемещений.
Рис. 1.7 Емкостной датчик мостового типа:
А – устройство групп электродов, Б – эквивалентная схема.
(1.2)
1.4 Индуктивные и магнитные датчики положения и перемещения
объектов
Одним из основных достоинств датчиков такого типа является то, что
магнитное поле может проникать через все немагнитные материалы без
потери точности определения расстояния до объекта. Другое достоинство
датчиков заключается в том, что они могут работать в суровых условиях
окружающей среды, поскольку для этой цели и чувствительные элементы, и
другие элементы конструкции
датчика могут быть покрыты инертными
материалами.
Существует два способа изменения потокосцепления между катушками или
между катушкой и объектом. Один из них – за счет перемещения объекта, а
другой – путем перемещения катушки относительно другой или объекта.
В датчиках такого типа широко применяют линейно – регулируемые
дифференциальные трансформаторы.
Рис. 1.8 Принципиальная схема линейно – регулируемого дифференциально-
трансформаторного датчика перемещений.
Для точного определения величины перемещения частота генератора должна
быть на порядок выше максимальной частоты движения объекта.
ЛРДТ обладают следующими достоинствами:
• являются бесконтактными устройствами, с малыми потерями на
трение;
• обладают незначительным гистерезисом, имеют малый выходной
импеданс;
• помехоустойчивы;
• надежны;
• имеют высокую разрешающую способность.
1.5 Вихретоковые датчики положения и перемещения объектов
Реагируют на вихревые токи, индуцируемые в проводящем объекте.
Круговые токи формируют магнитное поле, направленное навстречу полю
катушки. Чем ближе объект находится около катушки, тем сильнее
изменяется ее магнитное сопротивление. Толщина слоя, в котором
циркулируют вихревые токи, определяется выражением:
(1.3)
Для эффективной работы датчика толщина объекта должна быть больше
величины скин - слоя. Диапазон рабочих частот вихретоковых датчиков
находится в пределах нескольких десятков мегагерц. Их не следует
применять для работы с объектами с металлизированными покрытиями.
Зависимость между импедансом катушки и расстоянием до объекта является
нелинейной и температурочувствительной.
Вихретоковые датчики могут не только определять положение объектов, но
также измерять толщину материалов, непроводящих покрытий, удельную
проводимость и дефекты в изделиях. Дефектоскопия
– это наиболее
популярная область применения датчиков данного типа. Главное их
достоинство заключается в том, что они не нуждаются в магнитных
материалах, и за счет этого могут работать при высоких температурах.
Поэтому их применяют для измерения уровня расплавов.
1.6 Индуктивный датчик перемещения объекта
Индуктивные датчики перемещения применяются для измерения
сравнительно небольших перемещений объектов из ферромагнитных
материалов. Принцип действия таких датчиков основан на явлении
самоиндукции. При попадании объекта из ферромагнитного материала в
окрестности датчика, его магнитное поле изменяется, что приводит к
изменению индуктивности катушки, поэтому данный преобразователь
является бесконтактным, что
относится к его достоинствам. К недостаткам
таких датчиков относится то, что они могут работать только с
ферромагнитными материалами.
Рис. 1.9 Поперечный индуктивный датчик приближения.
На рисунке показана модифицированная конструкция индуктивного датчика,
в котором на перемещающемся объекте размещен или элемент из ферро
магнитного материала, или катушка. Но такие устройства используют для
контроля небольших перемещений и они характеризуются плохой
линейностью рабочей характеристики.
Рис. 1.10 Поперечный датчик приближения с дополнительным
ферромагнитным диском (А) и зависимость выходного сигнала от
расстояния (Б).
Индуктивные датчики для специальных задач
Сейчас на рынке представлено большое количество индуктивных
датчиков совершенно разных производителей. При выборе датчиков многие
руководствуются стоимостью индуктивного сенсора, останавливаясь на
самом недорогом варианте, например, отечественного производства, считая,
что: "немецкое оборудование дорого, а проработает не намного дольше".
Однако, некоторые крупнейшие зарубежные производители сейчас
предлагают на российском рынке стандартные модели индуктивных
датчиков по ценам сопоставимым, либо всего на 20-30 % выше
отечественных аналогов. При этом большинство индуктивных датчиков
российского производства являются всего лишь копией датчиков немецких
производителей. Естественно, собранных с более низким качеством на
полуавтоматических (или даже собранных вручную) линиях и из недорогих
комплектующих. Часто индуктивные датчики отечественных производителей
выходят из строя после перепадов
температур, постоянной вибрации и т.д.
Всего лишь несколько компаний в мире поставляют полную линейку
индуктивных датчиков, включая сенсоры для специальных задач (например,
при работе в условиях: повышенной влажности, высоких/низких температур,
высокого давления и т.д.). Более мелкие производители, не обладающие
высоким инженерным и научным потенциалами такие серии специальных
индуктивных датчиков позволить себе не могут.
Датчики фирмы Balluff детектируют объекты как из стали, так и из
цветных металлов(алюминия, латуни) без коэффициента редукции, т.е. с
одинаковым расстоянием срабатывания. Также, все индуктивные датчики
защищены от воздействия электромагнитных полей, расположенных рядом с
ними проводников с током силой до 25кА. Это очень важно при
использовании индуктивных датчиков в
условиях сварочных работ.
Дополнительно, корпуса некоторых датчиков покрываются тефлоном для
защиты от сварочных брызг. Датчики изготавливают как в прямоугольном
корпусе, так и в стандартных цилиндрических резьбовых.
Индуктивные сенсоры в корпусе из нержавеющей стали для применения
в химической, пищевой промышленности и упаковочных машинах.
Защищены от воздействия агрессивных моющих веществ в комбинации с
мойкой под высоким давлением. Чувствительная часть со специальным
покрытием надежно защищает сенсор от воздействия абразивных и
химически активных веществ, непродолжительного воздействия пламени.
Электроника датчика
надежно защищена от сильной вибрации и ударов.
Корпус из высококачественной нержавеющей стали с защитой IP68,
выдерживает давления до 60bar. Расширенный температурный диапазон
позволяет работать индуктивному датчику при температуре от -40 до +105
градусов С.
Выпускаются индуктивные датчики в цилиндрическом и в удлиненном
прямоугольном корпусе, на расстояния срабатывания до 50мм.
1.7 Датчик приближения на основе эффекта Холла
Существует два типа таких датчиков. С их помощью можно производить
измерение небольших перемещений объекта и использовать датчики в
качестве пороговых элементов: сигнализаторов, прерывателей и т.п.
Рис. 1. 11 Датчик положения на основе эффекта Холла:
А – магнитный поток включает датчик; Б – магнитный поток шунтируется
ферромагнитной пластиной.
1.8 Магиторезистивные датчики перемещения объектов
Эти датчики применяются в тех же областях, что и датчики Холла, то есть
могут использоваться как датчики приближения, положения и поворота. Для
их функционирования требуются внешние источники магнитного поля.
Рис. 1.12 Измерение угловых и линейных перемещений при помощи
магниторезистивного датчика.
В данном устройстве магнитное поле создается двумя магнитами,
закрепленными на вращающейся рамке, между которыми размещен
магниторезистор. Выходной сигнал датчика соответствует угловому
перемещению рамки.
1.9 Магнитострикционный датчик положения и перемещения объектов
Для измерения больших перемещений с высоким разрешением применяют
магнитострикционные ультразвуковые датчики. Преобразователь состоит из
двух основных частей: длинного волновода (до 7 м) и постоянного
кольцевого магнита. Магнит может свободно перемещаться вдоль волновода,
не касаясь его. Положение магнита над той или иной точкой волновода и
является измеряемым сигналом. Внутри волновода проходит проводник,
который
при подаче на него электрических импульсов создает магнитное
поле вдоль всей его длины. Другое магнитное поле, образованное
постоянным магнитом, существует только вблизи него. Поэтому два поля
складываются только там, где находится постоянный магнит.
Результирующее поле является суммой двух полей и создает крутящий
момент, заставляющий волновод поворачиваться в месте расположения
магнита.
Это явление известно под названием эффекта Видемана.
Таким образом, электрические импульсы, подаваемые в коаксиальный
проводник волновода, приводят к появлению механических импульсов
кручения, распространяющимся вдоль волновода со скоростью звука в
материале волновода. Момент прихода импульсов кручения волновода к
чувствительному элементу датчика точно определяется и преобразуется в
цифровой код.
Достоинства такого датчика: высокая
линейность рабочей характеристики,
хорошая воспроизводимость, долговременная стабильность. Датчик может
работать при тяжелых условиях эксплуатации. Характеризуется низкой
температурной чувствительностью.