Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.13 Датчик перемещений, использующий ультразвуковые волны в

магнитострикционном волноводе для определения положения постоянного

магнита.

Современные модели магнитострикционных датчиков линейных

перемещений и уровня

По сравнению с традиционными системами измерений расстояния,

магнитострикционные обладают важными преимуществами:

• нечувствительность к вибрациям, ударам, загрязнению, влажности и

т.д.;

• долгий срок службы и отсутствие необходимости в специальном

обслуживании, благодаря бесконтактному принципу работы;

• отсутствие необходимости возвращаться в начальную точку при

отключении питания, т.е. абсолютный выходной сигнал;

• высокая линейность, повторяемость и разрешение;

• позиционер (магнит) не нуждается в подаче питания;

• высокая степень пылевлагозащиты IP67/IP68;

• модели, предназначенные для установки в гидравлических цилиндрах,

выдерживают давление до 600 атм.

Экономичная серия недорогих датчиков перемещения

представлена серией

профильных датчиков перемещений в корпусе из алюминия. Диапазон

измерений: 50-3250мм. Выходной сигнал: аналоговый (0..10В или 4..20мА);

цифровой (RS422). Разрешение: 10мкм.

Компактная стержневая серия датчиков перемещений используется для

автоматизации производственных процессов, например, для установки в

гидравлические цилиндры. Диапазон измерений: 50-1000мм. Выходной

сигнал: аналоговый (0..10В/4..20мА). Разрешение: 5мкм.

1.10 Оптические датчики положения и перемещения объектов

После механических контактных и потенциометрических датчиков

оптические датчики положения и перемещения являются наиболее

распространенными. Среди их основных достоинств можно выделить

простоту конструкции, отсутствие нагрузочного эффекта, и относительно

большие рабочие расстояния. Они не чувствительны к паразитным

магнитным полям и электростатическим помехам.

В состав оптического датчика перемещений входят три основных

компонента: источник света, фотодетектор и устройства управления

световым потоком (линзы, зеркала, оптические волокна и т.п.).

К оптическим датчикам также применима классическая мостовая схема

включения нескольких оптических преобразователей.

Рис. 1.14 Четырехквадрантный датчик положения объекта:

А – фокусирование объекта на датчик; Б – подключение чувствительных

элементов к дифференциальным усилителям;

В – внешний вид фотодатчика.

1.11 Волоконнооптические устройства контроля положения и

перемещения объектов

Волоконнооптические датчики могут достаточно эффективно использоваться

в качестве детекторов приближения и уровня.

На рисунке показан один из вариантов датчиков перемещения, в котором

интенсивность отраженного света модулируется в зависимости от расстояния

до отражающей поверхности. Принцип его действия основан на

использовании разности коэффициентов преломления воздуха

и жидкости,

уровень которой необходимо определить. Когда призма достигает уровня

жидкости, ее угол полного внутреннего отражения изменяется. Это приводит

к большому падению интенсивности света, измеряемой на конце

принимающего световода.

Рис.1.15 Оптический датчик уровня жидкости, построенный на принципе

неидентичности коэффициентов преломления света в жидкой и воздушной

средах.

На рис. показан еще один вариант волоконнооптического датчика положения

уровня жидких сред. Здесь световод имеет U – образную форму. В световоде

при погружении его в жидкость происходит модуляция интенсивности

проходящего света. Рядом с местами изгибов, там, где радиус кривизны

наименьший, детектор имеет две чувствительные области.

Рис. 1.16 Волоконнооптический датчик уровня жидкости;

А – интенсивность света на выходе световода максимальная;

Б – интенсивность света на выходе погруженного в жидкость датчика

снижается.

1.12.1 Методы и средства измерений геометрических параметров

объектов с использованием интерферометров

Для прецизионных измерений малых перемещений в неблагоприятных

условиях окружающей среды применяют оптические резонаторы Фабри –

Перо, состоящие из двух полуотражающих зеркал, расположенных напротив

друг друга на расстоянии L. Свет в резонатор поступает от источника с

известными характеристиками. Например, от лазера. Фотоны, попадая в

резонатор, начинают отражаться то от одного, то от другого зеркала

. В

процессе этих отражений они интерферируют друг с другом, Фактически,

резонатор играет роль светового накопителя. За пределы резонатора могут

выйти фотоны только определенных частот. Таким образом, можно считать,

что интерферометр является частотным фильтром, частота пропускания

которого определяется длиной резонатора. При изменении длины резонатора

соответственно изменяется и частота выходящего света. Если

сделать одно из

зеркал подвижным, то, измеряя выходящую частоту импульсов света, можно

определять очень малые изменения длины резонатора.

(1.4)

Для используемых на практике резонаторов расстояние между зеркалами

составляет порядка одного микрометра, при частоте следования импульсов

света от 500 МГц до 1 ГГц.

Таким образом, по разнице частот выходного излучения и сигнала от

эталонного источника света можно судить об изменении длины резонатора с

точностью, сравнимой с длиной волны света. При этом

объектом измерения

может быть любая физическая величина, изменение которой приводит к

изменению размеров резонатора. Например: механическое напряжение, сила,

давление, температура и т.п.

Рис. 1.17. Принцип работы датчика микроперемещений, основанного на

использования интерферометра Фабри – Перо:

А - многократная интерференция света внутри резонатора;

Б – импульсы света на выходе резонатора.

Благодаря универсальности, такие датчики получили широкое

распространение. К их достоинствам можно отнести малые размеры, низкую

стоимость, высокую разрешающую способность.

1.13 Решетчатые датчики положения и перемещения объектов

Оптический датчик перемещения может быть изготовлен с использованием

двух перекрывающихся решеток, играющих роль модулятора интенсивности

света. Излучение от эталонной лампы сначала попадает на первую

стационарную решетку, которая пропускает на вторую подвижную решетку

только 50% света. Когда непрозрачные полоски подвижной решетки точно

совмещаются с пропускающими зонами стационарной решетки, путь свету

будет полностью перекрыт

. Следовательно, такая комбинация решеток

позволяет модулировать интенсивность выходящего света от 0 до 50%

интенсивности эталонной лампы. Прошедший через решетки свет

фокусируется на чувствительную поверхность фотодетектора,

преобразующий его в электрический выходной сигнал датчика.

Рис. 1.19 Оптический датчик перемещений с решетчатым модулятором

света: А – принципиальная схема;

Б – передаточная функция.

Данный принцип модуляции света используется в очень распространенных

поворотных и линейных кодирующих устройствах.

Существует два типа кодирующих дисков: дискретные и абсолютных

перемещений. В первом случае импульсы вырабатываются при повороте

диска на фиксированную величину угла (шаг), во

втором случае угловое

перемещение задается комбинацией прозрачных и непрозрачных секторов,

расположенных по радиусу диска. Рисунок диска абсолютных перемещений

соответствует конкретному цифровому коду.

Рис. 1.20 Диски оптических шифраторов перемещений:

А – дискретных; Б – абсолютных.

Принцип работы абсолютного энкодера

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет

уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного

энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен.

Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время

вращения, так и в

режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового

энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой

дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции

вала.

Рис. Кодовый диск абсолютного энкодера.

Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не

требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не

подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме

того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером,

если, например, вал

вращается слишком быстро, правильный угол вращения

будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный

энкодер устойчив к вибрациям.

Для кодирования угла поворота вала используется код Грея. Данный код

предпочтительнее обычного двоичного тем, что обладает свойством

непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на

единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном

разряде. Он строится на базе двоичного по

следующему правилу: старший

разряд остается без изменения; каждый последующий разряд инвертируется,

если предыдущий разряд исходного двоичного кода равен единице. Этот

алгоритм построения может быть формально представлен как результат

сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же

комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний

правый разряд

сдвинутой комбинации отбрасывается.

Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом,

т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то

один бит. Погрешность при считывании информации с механического

кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к

тому, что переход от

одного положения к другом будет лишь несколько

смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового

положения при переходе от одного положения к другому полностью

исключается.

Преимуществом Грей-кода является также его способность зеркального

отображения информации. Так, инвертируя старший бит можно простым

образом менять направление счета и, таким образом, подбирать

фактическому (физическому) направлению вращения оси.

Выдаваемое значение может быть возрастающим или спадающим при

одном и том же физическом направлении вращения оси.

Поскольку информация, выраженная в Грей-коде, имеет чисто

кодированный характер не несущей реальной числовой информации, он

должен быть перед дальнейшей обработкой преобразован в стандартный

бинарный код. Осуществляется

это при помощи преобразователя кода

(декодера Грей-Бинар), который легко реализуется с помощью цепи из

логических элементов «исключающее или» как программным, так и

аппаратным способом. При переходе от одного числа к другому (соседнему)

лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено

кодом Грея, в то время, как в

двоичном коде могут поменять свое состояние

несколько бит одновременно. Код Грея - выход, следовательно, не имеет

ошибку считывания и применяется во многих абсолютных энкодерах.

2. Контроль присутствия и перемещения объектов

Для определения присутствия объектов, в том числе и людей, их

передвижений в настоящее время применяются различные типы датчиков:

• датчики давления воздуха (перепада давления воздуха, возникающих

при открывании дверей, окон);

• емкостные датчики;

• акустические датчики (детекторы звуков);

• фотоэлектрические датчики (сигнализаторы пересечения луча света);

• датчики предохранительных ковриков (длинные полоски,

располагающиеся на полу под ковриком у входной двери,

реагирующие на давление);

• детекторы механических напряжений (датчики деформаций,

встроенные

в пол, ступени и другие конструктивные элементы.);

• датчики открывания (электрические контакты, встроенные в двери и

окна);

• магнитные датчики открывания;

• датчики вибраций (устройства, реагирующие на вибрации

конструкций);

• датчики разбития стекла (реагируют на специфический спектр

вибраций, характерный для бьющегося стекла);

• ИК датчики движении (устройства, реагирующие на тепловые

волны,

испускаемые движущимися объектами);

• СВЧ датчики (микроволновые датчики);

• ультразвуковые датчики;

• видеодетекторы появления новых объектов (видеоустройства,

сравнивающие текущее изображение объекта с записанным в памяти);

• система видеораспознавания (анализаторы изображений,

сравнивающие характерные особенности лиц с базой данных);

• лазерные датчики с системой отражателей;

• электростатические датчики (способные детектировать статические

электрические

заряды, переносимые движущимися объектами).

Наиболее широкое применение для целей обнаружения присутствия и

перемещения объектов нашли ультразвуковые и микроволновые датчики.

Принцип работы устройств данного типа основан на излучении акустических

или электромагнитных волн (СВЧ - диапазона) в направлении объекта и

регистрации отраженных от него волн.

2.1 Микроволоновые устройства измерения расстояния до объекта

Для измерения расстояний до объекта широко применяют так называемые

микромощные импульсные радары (МИР).

Рис. 2.1 Блок – схема микромощного импульсного радара и временная

диаграмма его работы.

Радиопередатчик такого устройства вырабатывает высокочастотный

радиосигнал, состоящий из коротких пачек импульсов, которые через

антенну передаются в окружающую среду. Волны отражаются от объекта и

возвращаются обратно на радар. Тот же импульсный генератор с

определенной задержкой времени управляет радиоприемником. Поэтому

приемник

получает сигнал только в строго заданном интервале времени.

Процесс импульсного управления приемником позволяет значительно

снизить потребляемую мощность. Принятые отраженные сигналы

демодулируются, после чего определяется временная задержка между

переданным и принятым сигналами, пропорциональная расстоянию до

объекта. Шанс наложения передаваемых сигналов от разных МИР очень мал.

Даже если это и происходит, то схема

значительно снизит уровень помех.

Для определения временной задержки, как правило, усредняется порядка

10000 полученных импульсов.