Датчики линейного перемещения принцип работы

Принцип работы индуктивных датчиков перемещения

Предлагаем Вам ознакомиться с физическими основами работы индуктивных датчиков перемещения производства компании RDP Electronics Ltd (United Kingdom), с их основными параметрами, преимуществами и сферами применения.

Сам термин LVDT (Linear Variable Differential Transformer) — означает линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.

Рассмотрим принцип работы датчиков на LVDT технологии.

Первичная возбуждающая обмотка
Вторичная обмотка 1
Вторичная обмотка 2
Результирующий сигнал от суммы вторичных обмоток

В принципе имеется две схемы работы — с выходным напряжением и выходным током.

Схема работы с выходным током (4-20мА)

Схема работы с выходным напряжением

Рассмотрим более детально сам процесс измерения перемещения.

Датчик перемещения, работающий по технологии LVDT, состоит из трех обмоток трансформатора — одной первичной и двух вторичных. Степень передачи тока между первичной и двумя вторичными обмотками определяется положением подвижного магнитного сердечника, штока. Вторичные обмотки трансформатора соединены в противофазе.

При нахождении штока в середине трансформатора, напряжение на двух вторичных обмотках равны по амплитуде, а т. к. они соединены противофазно, суммарное напряжение на выходе равно нулю — перемещения нет.

Если шток перемещается от серединного положения в какую либо сторону — происходит увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. В результате суммарное напряжение будет не нулевым — датчик будет фиксировать смещение штока.

Соотношение выходной фазы сигнала по сравнению с фазой возбуждающего сигнала дает возможность электронике понять, в какой части обмотки находится в данный момент шток.

Основная особенность принципа работы индуктивных датчиков перемещения состоит в том, что прямой электрический контакт между чувствительным элементом и трансформатором отсутствует (связь осуществляется через магнитное поле), что дает пользователям абсолютные данные по перемещению, теоретически бесконечную точность разрешения и очень долгий срок службы датчика.

Особенности схемы работы с выходным током — т. к. цепь генератор/демодулятор встроена в сам датчик перемещения и питается от выходного тока 4-20 мА, то нет необходимости во внешнем оборудовании для формирования сигнала.

Особенности схемы работы с выходным напряжением — цепь генератор/демодулятор, встроенная в датчик перемещения обеспечивает возбуждение и преобразует сигнал обратной связи в напряжение постоянного тока. При этом так же не требуется внешнее оборудование для формирования сигнала.

Особенности измерения выходного сигнала.
1) Если выходное напряжение измеряется не фазочувствительным (среднеквадратичным) вольтметром, то отклонение штока в любую сторону от центрального положения в трансформаторе датчика будет соответствовать увеличению выходного напряжения.

Заметим, что кривая не касается горизонтальной оси. Это происходит из-за остаточного выходного напряжения.

2) Если используется фазочувствительная демодуляция, то по выходному сигналу можно судить, в какой части трансформатора находится шток в данный момент.

Для формирования сигнала всегда используется фазочувствительная демодуляция, т.к. это исключает влияние на выходной сигнал остаточного выходного напряжения и позволяет пользователю знать положение штока в трансформаторе.

Диапазон линейности индуктивного датчика перемещения.
Если мы рассмотрим выходную кривую вне механического диапазона типичного LVDT датчика, то можно заметить, что на краях диапазона кривая изгибается. Это значит, что механический диапазон существенно шире линейного участка работы.

При калибровке датчика, важно, что электрическая нулевая точка используется в качестве ссылки, и что датчик используется в пределах ± FS (полного диапазона) вокруг электрического нулевом положения.

Если проводить калибровку не беря за основу точку ноля вольт, одно из положений полного диапазона будет за пределами линейного диапазона и, следовательно, может привести к ошибке линейности.

Типы индуктивных датчиков перемещения

Тип 1 — несвязанные преобразователи, которые имеют якорь, который отделен от тела корпуса. Части датчика должны быть установлены таким образом, что якорь не прикасался к внутренней трубке корпуса. Сделав это, можно получить абсолютное отсутствие трения при движении чувствительного элемента датчика.

Тип 2 — монолитные преобразователи, которые имеют тефлоновый подшипник, который направляет якорь (шток) по внутренней трубке.

Тип 3 — монолитные преобразователи с возвратной пружиной, которая толкает якорь (шток) наружу.

Внутреннее строение типичного индуктивного датчика перемещения LVDT

Преимущества индуктивных датчиков перемещения LVDT

1. Преимущества над линейными потенциометрами (POTS).

Не имеют контакта корпуса и внутренних деталей с чувствительным элементом, что означает, что нет никакого износа при движении штока. POTS датчики имеют контакт с чувствительным элементом и могут быстро изнашиваются, особенно под воздействием вибрации.
Можно легко обеспечить защиту от влаги и пыли на требуемом уровне, даже стандартные версии LVDT датчиков обычно имеют гораздо лучший уровень защиты от внешний воздействий, чем POTS.
Вибрация не вызывает влияния на пропадание сигнала, в отличие от POTS, где скользящий бегунок может прервать контакт с проводником при вибрации.

2. Преимущества над магнитострикционными датчиками.

Не восприимчивы к ударам и вибрации.
Менее восприимчивы к паразитным магнитным полям окружающей среды.
Система формирования сигнала может быть удалена от чувствительного элемента на некоторое расстояние, что позволяет использовать датчики при работе с высокой температурой и высоким уровнем радиации.
Магнитострикционные датчики не имеют короткого штока ±100мм или менее, а это как раз наиболее востребованный диапазон технического применения датчиков перемещения.

3. Преимущества над кодерами (датчиками положения).

Имеют лучший аналоговый частотный отклик.
Имеют более прочный корпус.
Сразу после включения «знают» положение штока, в отличии от кодеров, которым надо указывать постоянную ссылку на известное положение.

4. Преимущества над переменными векторными резистивными преобразователями (VRVT)

LVDT датчики как правило более дешевы.
Имеют меньший диаметр корпуса.
Более прочные и не изнашиваются.
Могут использоваться значительно дольше.

5. Преимущества над линейными емкостными датчиками

LVDT датчики как правило более дешевы.
Менее восприимчивы к внешним условиям эксплуатации.
Значительно более прочные.

Особенности индуктивных датчиков перемещения LVDT

Максимальная рабочая температура 600°C.
Минимальная рабочая температура –220°C (для справки, температура жидкого азота -196°C, температура жидкого гелия -269°С).
Могут работать при уровне радиации 100,000 рад.
Могут работать при давлении 200Бар.
Могут работать под водой, при этом вода может попадать внутрь датчика не причиняя ему вреда. Существует специальная серия подводных датчиков, которые могут без тех. осмотра работать под водов в течении 10-ти лет, работать под водой на глубине до 2,2км. Кабельные разъемы могут подсоединяться так же под водой.

Основные сферы применения LVDT датчиков

Промышленные измерительные системы

Регулирующие вентили — везде, где существуют регулирующие вентили индуктивные датчики перемещения могут быть использованы для контроля положения штока вентиля. Особенно, где есть ответственные участки работы, например, в клапанах пара для турбин на электростанциях.
Контроль положения шлюзов — погружные датчики перемещения подходят для измерения положения шлюзов в водохозяйственных и канализационных системах.
Измерение зазора между валками.
Для поддержания равномерной толщины проката зазор между валками часто измеряется на обоих концах.
Контроль перемещения штоков вентилей на подводных нефте/газо проводах.
Контроль работы гидравлических активаторов — измерение перемещения объекта, который передвигает активатор. Благодаря очен высокой износостойкости, данные LVDT датчики перемещения могут выдерживать миллионы циклов перемещения.
Контроль положения/перемещения режущих инструментов, отрезающих рулонные материалы.
Измеряет положение/смещение роликов, которые используется для выпрямления полосового проката перед штамповкой.
Могут быть использованы для динамического измерения размеров (диаметров) рулонов продукта, например, инициировать сигнал к системе управления, когда рулон достигает максимального/минимального размера при наматывании/сматывании материала.

Станки

Могут быть использованы в испытательных приспособлениях для измерения круглости, плоскостности и т.д. частей машин для анализа качества их изготовления.
Могут быть использованы для оценки и контроля взаимного расположения компонентов деталей в сборке, когда требуется юстировка/подгонка размеров взаимного расположения деталей.

Авиация/космонавтика

Могут быть использованы для оценки реакции привода на действие активатора. Например, преобразователь измеряет положение отклонения закрылков крыла самолета при техническом обслуживании. Тут очень важно измерить скорость срабатывания активатора после подачи на него управляющего сигнала, а так же скорость изменения положения закрылков.
Анализ Ротора вертолета
Датчики LVDT используются на вертолетах, чтобы измерить угол наклона лопастей ротора.
Могут быть использованы для оценки смещения корпуса двигателя при нагревании.
Могут быть использованы для измерения смещения (деформации) лопасти турбины при внешнем воздействии.
Могут быть использованы для измерения отклонения диафрагмы сопла реактивного двигателя.
Могут быть использованы для испытания крыльев самолетов для измерения их отклонения при нагрузке.

Строительство / Проектирование зданий и сооружений

Могут быть использованы для измерения вибрации или деформации мостов при изменении трафика движения или порывов ветра.
Могут быть использованы для измерения смещения грунта при строительстве, контроля оползней и насыпных дамб.
Могут быть использованы при испытании крупногабаритных строительных конструкций, балок, пролетов моста и т. д. на силовую деформацию.

Автомобилестроение

Могут быть использованы для контроля смещения корпуса двигателя при его испытаниях.
Идеальным применением LVDT датчиков может быть тестирование компонентов подвески автотранспорта.
Могут быть использованы для контроля изготовления прецизионных компонентов.
Могут быть использованы для настройки компонентов двигателя, таких как дизельные форсунки.
Могут быть использованы для тестирования сидений, дверей, педалей и ручек транспортных средств для моделирования продления их срока службы.
Могут быть использованы для измерения профиля поверхности заготовки, например стекла или других площадных объектов.

Выработка энергии

Могут быть использованы для измерения биения вала турбины.
Могут быть использованы для контроля положения главного парового клапана, который регулирует поток пара в турбину. Клапан постоянно корректирует свое положения для поддержания постоянной скорости вращения турбины. LVDT датчики идеально подходят для работы в зоне высоких температур, грязи и постоянной вибрации.
Могут быть использованы для контроля положения перепускного клапана. Когда откроется перепускной клапан, датчик может испытать температуру 200°C.

Датчики линейного перемещения – основные нюансы

Классификация приборов

Датчики линейного перемещения имеют несколько классификационных уровней, но основным является принцип действия, который определяет функциональное назначение и область использования приборов.

Область применения датчиков ↓
Емкостные датчики ↓
Индукционные датчики ↓
Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений ↓
Производители различного типа приборов ↓
Прибор контроля перемещения своими руками ↓

По принципу действия приборы контроля и измерения перемещений можно разделить на:

Емкостные.
Оптические (оптоэлектронные).
Индукционные.
Датчики магнитострикционного типа.
Ультразвуковые.
Резистивные, магниторезистивные и потенциометрические.
Приборы, использующие в своей работе эффект Холла в быту, практически не используются.

Область применения датчиков

Любой датчик движения, вне зависимости принципа действия, предназначен для преобразования линейного перемещения в цифровой или аналоговый сигнал, который затем поступает к электронному блоку измерения или срабатывания. От принципа действия зависит точность измерения.

Часто нет необходимости в замере конкретной величины перемещения. Например, в охранных системах достаточно просто определить наличие перемещения в зоне контроля. Эти приборы получили название датчиков движения. От них не требуется высокая точность замера величины. Поэтому дешевые емкостные, оптические или индукционные устройства здесь наиболее распространены.

В промышленно-производственных системах автоматического управления требуется измерения величины перемещения. Причем измерение (например, в станках с числовым программным управлением) должно быть проведено с высокой точность и осуществляется или непрерывно, или дискретно – через определенные промежутки времени. В этом случае наибольшее распространение получили магнитострикционные приборы.

Емкостные датчики

Простейший емкостный датчик по своей конструкции напоминает конденсатор. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

Изменения величины зазора между пластинами.
Изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия.
Изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, а может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Наибольшее распространения емкостные устройства контроля перемещения нашли:

В качестве источника сигнала в системах контроля заполнения резервуаров жидким или порошкообразным продуктом.
Как прибор, контролирующий начало – окончание рабочего хода исполнительного органа робототехнических систем и автоматических станков и линий.
Для позиционирования различных объектов.
Как обычный конечный бесконтактный выключатель.
В системах контроля и охранной сигнализации как «датчик присутствия».

Благодаря своей невысокой стоимости и надежности, емкостные устройства нашли самое широкое распространения в отдельных системах комплекса жизнеобеспечения «умный дом».

К их достоинствам, по сравнению с устройствами, использующими другой принцип действия, можно отнести:

Упрощенную технологию массового производства, с использованием недорогих, широко распространенных материалов.
Высокую чувствительность при малом энергопотреблении.
Компактные размеры и незначительный вес.
Долговечность, простоту и надёжность эксплуатации.
Простоту адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение в высокоточных системах управления, являются:

Относительно низкий коэффициент преобразования.
Необходимость тщательной экранировки элементов датчика.
Повышение точности работы прибора на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50,0 герц.
Высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий (снег, дождь) что требует повышенной защиты источника сигнала.

Индукционные датчики

Сигнал в индукционных датчиках формируется за счет изменения индуктивности катушки. Приборы этого типа отличаются высокой точностью, при незначительных габаритах. Индукционные приборы контроля способны проводить измерения дистанционно, а по типу их подразделяют на простые и дифференциальные.

Одно из конструктивных исполнений этих устройств представляет собой трансформатор, сердечник которого имеет возможность передвигаться. При перемещении сердечника индуктивность катушки меняется и это изменение является сигналом. Значение индуктивности изменяется пропорционально уровня перемещения сердечника.

Если контроль перемещения осуществляется в отношении ферримагнитных объектов, то сердечник не требуется. Деталь, попадая в поле электромагнитного излучения катушки, меняет ее индуктивность и формирует управляющий сигнал.

Контролирующие датчики индукционного типа нашли широкое применение в станках с программным управлением, бесконтактных системах охраны и для фактического измерения перемещения, с отчетом его значения по цифровой шкале или с выводом информации на экран жидкокристаллического дисплея.

Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений

Набольшее распространение для контроля движения и измерения расстояния получили оптические триангуляторы, являющиеся по своей сути обычным оптическим (лазерным) дальномером. Для контроля малых изменений линейных величин применяются приборы с поляризационной решеткой. Кроме того, оптические датчики широко используются в системах охраны в качестве «лучевого барьера».

К достоинствам этой категории приборов можно отнести:

Реализацию бесконтактного контроля.
Высокую точность.
Практически мгновенно формирование управляющего сигнала (отсутствие времени задержки срабатывания).

Недостатками высокоточных оптических датчиков считаются:

Значительная стоимость.
Критичность к условиям окружающей среды.

Производители различного типа приборов

Крупнейшим российским производителем приборов для контроля перемещений является компания «ЭЛТЕХ» (Санкт-Петербург), специализирующая на устройства для контроля и измерения величины линейного перемещения индуктивного, резистивного и емкостного типа.

Линейные потенциометры модельных линий «Longfellow-2» и «DuraStar» обеспечивает измерение величины перемещения в пределах до 610,0 миллиметров с точностью 0,5%. Стоимость приборов зависит от измеряемого диапазона (модели) и объема поставки и оговаривается при заказе.

В последнее время большой популярностью пользуется недорогие, но достаточно точные приборы китайского производства.

Наиболее распространены следующие модели:

«DEPP EP15-series» – приборы индукционного типа, применяемые в станках и системах автоматического контроля;
Оптическое устройство «HENGXIA K100-series» позволяет контролировать размеры в диапазоне 50,0…7200,0 миллиметров;
Линейный энкодер «Roundss Rlc50d» по сути является электронной рулеткой, позволяющей с высокой точностью замерять размеры и контролировать пройденный путь.

Стоимость китайской продукции зависит от курсовой стоимости рубля и уточняется при заказе.

Прибор контроля перемещения своими руками

Прибор для измерения величины перемещения изготовить самостоятельно практически невозможно. Однако радиолюбители достаточно часто собирают из вышедшей из строя радио и электронной аппаратуры датчики движения, которые с успехом используются в системах безопасности и жизнеобеспечения.

Например, датчик можно использовать для включения света в туалете, когда в помещение санузла заходит человек. Не менее популярны подобные устройства для включения-отключения освещения в жилых помещениях.

И конечно эти приборы незаменимы при формировании собственной системы безопасности, где они фиксируют любую попытку (неважно человек это или животное) несанкционированного проникновения на территорию защищаемого объекта (садового участка, балкона, гаража). Изготовление самодельного датчика движения рассмотрим на примере сборки оптоэлектронного устройства, контролирующего пересечение охраняемого периметра.

Из деталей для изготовления самого прибора потребуются:

Блок питания от мобильного телефона с напряжением на входе 5,0 вольт.
Фотоэлемент – лучше фоторезистор.
Биполярный транзистор с «p-n-p» – переходом.
Построечный потенциометр (сопротивление) с диапазоном регулировки 0…10,0 килоом.
Электромагнитное реле, срабатывавшее при напряжении 5,0 вольт.
В качестве источника излучения идеально подойдет лазерная указка, дающая тонкий, узконаправленный луч.

Порядок соединения схемы следующий:

Катод фотоэлемента припаивается к плюсовому проводнику блока питания – эта точка будет является общим (массовым) проводником.
К аноду фотоэлемента присоединяется просторечный потенциометр, при выведении его движка в среднее положение.
Свободный контакт потенциометра припаивается к отрицательному проводнику блока питания, а контакт от его движка к базе транзистора.
Эмиттер транзистора включается подсоединяется к общему «плюсу» схемы, а коллектор соединяется с одним из контактов реле.
Второй контакт реле припаивается к отрицательному проводу блока питания.

При освещении окошка фотоэлемента лазерной указкой, поворотом движка потенциометра добиваются надежного срабатывания реле. К коммутационным контактам реле можно подключить любой источник сигнала – ревун, лампу накаливания, светодиодный индикатор. Недостатком данного устройства является то, что оно срабатывает только при пересечении луча света.

То есть в режиме ожидания все его элементы функционируют. При различных способах коммутации контактов реле можно добиться включения света при первом пересечении луча и его отключении при повторном.

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics

Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.

Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства ферромагнитных материалов: железо, никель, кобальт, а так же их сплавов. При нахождении ферромагнетика в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, приводящее к изменению физических размеров ферромагнетика. Это является следствием структуры ферромагнитного материала, проще говоря, он состоит из огромного количества микроскопических элементарных магнитов, которые стремятся установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных областей, так называемых «доменах». В обычном состоянии направление доменов хаотично, однако, при наложении магнитного поля они выстраиваются по его направлению и выравниваются параллельно друг другу. При этом, возникают собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Вышеописанное приводит к тому, что если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень получит механическую деформацию, вследствие которой возникнет удлинение. Надо понимать, что на самом деле это удлинение очень мало (см. рисунок 1), однако, его возможно зарегистрировать. Кроме того, создавая специальные ферромагнитные сплавы и прилагая к ним постоянные направленные магнитные поля можно оптимизировать и управлять магнитострикционным эффектом.

Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:

-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.

Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом — волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.

Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции

производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.

Оптические датчики положения и перемещения объектов – почему «ДА»

Практически каждый технологический процесс нуждается в Оптических датчиках положения и перемещения, которые благодаря принципу работы и широкому разнообразию моделей разных производителей, помогают избежать финансовых затрат и гарантируют качественную продукцию.

В сравнении с широко применяемыми в промышленности бесконтактными емкостными, индуктивными и ультразвуковыми датчиками положения, а также механическими концевыми выключателями, оптические датчики положения имеют ряд преимуществ:

Бесконтактный метод контроля положения и перемещения объекта. Как следствие, отсутствует механический износ, дребезг контактов и ложные срабатывания;
Зона срабатывания и обнаружения объекта от нескольких миллиметров до нескольких десятков метров в зависимости от типа датчика;
Высокая скорость отклика. Датчики положения оптического типа с успехом применяются на конвейерных лентах, где объекты движутся с высокой скоростью и плотностью размещения на ленте. Датчики данного типа могут применяться не только для контроля объектов, но и для счета этих объектов. Частота переключений может достигать 30 кГц;
Возможность обнаружения объектов очень малых размеров. Так как оптический луч оптических датчиков положения с помощью системы линз, диафрагм и оптоволоконных кабелей можно сфокусировать в очень тонкий пучок, это позволяет контролировать наличие объектов очень небольших размеров;
Возможность обнаружения объектов из различных материалов. Если индуктивные и емкостные датчики накладывают определенные ограничения на такие характеристики контролируемого объекта как магнитные свойства и диэлектрическая проницаемость, то оптические датчики, при соответствующей настройке, с успехом обнаруживают объекты практически из любого материала. Оптические датчики положения используются в том числе и для обнаружения тонких и прозрачных объектов, таких как полиэтиленовая пленка. Обычно для этих целей используют датчики с видимым излучением красного цвета;
Возможность настройки расстояния срабатывания для выборочного контроля и счета объектов, движущихся перед датчиком в несколько рядов;
Наличие таймера срабатывания для подавления случайных оптических помех;
Возможность обнаружения объектов с очень высокой температурой, например, литья, поковок, проката и т.п;
Нечувствительность к магнитным полям, электростатическим помехам;
Нечувствительность к ионизирующему излучению и возможность установки в крайне стесненном пространстве (для оптоволоконных оптических датчиков положения).

Три принципа действия оптических датчиков положения

Оптические датчики положения относятся к фотоэлектрическим датчикам, так как принцип их действия основан на обнаружении световых сигналов. При этом стоит понимать, что датчик может срабатывать как на свет, так и на затемнение.

В зависимости от того, на каком оптическом явлении основан принцип обнаружения объектов, оптические датчики положения делятся на три типа:

тип T – датчики с приёмом прямого луча от излучателя;
тип R – рефлекторные датчики с приемом луча, возвращенного от отражателя;
тип D – диффузионные датчики с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта контроля.

Тип датчиков положения	Расстояние обнаружения объекта/ срабатывания	Материал объекта контроля	Достоинства метода измерений	Типовые области применения
Индуктивные датчики положения	до 60 мм	Металлические объекты	Возможность работы в условиях загрязненной рабочей среды, высокая частота переключений (до 3 кГц), высокая селективность (срабатывает только на металлы). Возможность измерения сквозь непрозрачные стенки	Металлообработка, автоматизированные склады, станкостроение и точная механика
Емкостные датчики положения	до 30 мм	Металлические и неметаллические объекты, жидкости, стекло	Высокая чувствительность и малая инерционность, возможность обнаружения объектов из практически любого материала. Возможность измерения сквозь непрозрачные стенки	Пищевая и химическая промышленность
Оптические датчики положения	до 60 м для T-типа; до 35 м для R-типа; до 3 м для D-типа	Металлические и неметаллические объекты, жидкости, стекло	Наибольший диапазон расстояний срабатывания, высокая частота переключений (до 30 кГц), возможность обнаружения объектов из практически любого материала, возможность обнаружения объектов с высокой температурой и объектов очень малых размеров	Электронная промышленность, конвейерные системы, контроль доступа и периметра, металлургия и др.
Магнитные датчики положения	до 120 мм	Объекты с магнитными свойствами	Возможность работы в условиях загрязненной рабочей среды, высокая селективность (срабатывает только на объекты с магнитными свойствами). Возможность измерения сквозь непрозрачные стенки	Определение положения поршня пневмоцилиндров, автоматизированные склады и т.д.

К недостаткам оптических датчиков положения можно отнести:

Возможность ложных срабатываний при работе в условиях высокой запыленности, тумана, интенсивной внешней засветки, низких температур, сильной вибрации;
Невозможность обнаружения объекта через непрозрачную преграду или стенку резервуара или контейнера;
Трудоемкая процедура совмещения оптических осей излучателя и приемника у датчиков T-типа при их монтаже, особенно если расстояние между ними превышает несколько десятков метров;
Необходимость настройки чувствительности датчика у датчиков D-типа, в зависимости от отражающей способности поверхности контролируемых объектов;
Постепенная деградация излучателя (светодиода) датчика, из-за чего интенсивность его излучения постепенно падает, и со временем может потребоваться подстройка чувствительности датчика;
Наличие слепых зон у датчиков D и R-типа. Слепой называется зона от активной поверхности оптического датчика до минимального расстояния его срабатывания. В слепой зоне объект не обнаруживается датчиком.

Оптические датчики нашли широкое применение во многих отраслях промышленности благодаря своим высоким потребительским качествам, точности и высокой скорости обнаружения объектов, разнообразным исполнениям и относительно невысокой стоимости. Обилие различных аксессуаров и опций, таких как подогрев оптики, оптоволоконные удлинительные кабели, поляризационные фильтры, аналоговые, цифровые и дискретные выходные сигналы, лазерный излучатель вместо светодиодного существенно расширяют сферу применения данных датчиков как по условиям эксплуатации, так и по возможности их интеграции в существующую систему автоматизированного управления.

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse

Датчики линейных перемещений (датчики линейного положения, измерители пути и т.д.) применяются во многих отраслях промышленности во всем мире. Измерители пути, которые используют принцип магнитострикции, обладают характеристиками, обеспечивающими надежную работу во множестве областей автоматизации, включая самые тяжелые условия.

Везде, где требуется определить точное положение объекта, движущегося по прямой, эти сенсоры могут помочь- от гидравлического цилиндра, до машины инжекционного литья или резки бумаги. Мировыми лидерами в разработке и производстве магнитострикционных датчиков линейных перемещений являются компании Balluff (датчики перемещения под маркой Micropulse) и MTS Sensors (датчики Temposonics).

Принцип работы

Магнитострикция была обнаружена только в ферромагнитных материалах, таких как: железо, никель, кобальт и их сплавах. Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства этих материалов. Например, если ферромагнетик находится в
области магнитного поля, то оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, что приводит к изменению физических размеров ферромагнетика. Такое поведение объясняется существованием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, из которых состоит ферромагнитный материал. Они будут стремиться установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных пространственных областей, уже без внешнего магнитного поля. В этих так называемых доменах, все элементарные магниты направлены одинаково. Но первоначальное распределение доменов хаотично и снаружи ферромагнитное тело кажется немагнитным. При приложении магнитного поля, домены выстраиваются по направлению этого поля и выравниваются параллельно друг другу. Таким образом, получаются собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз.
Например, если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень испытает механическую деформацию и получит линейное удлинение. В реальности удлинение посредством магнитострикционного эффекта очень мало (см. рисунок 1).

Магнитострикционный эффект обуславливается совокупностью магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, соответственно, его можно оптимизировать посредством создания специальных сплавов и управлять с помощью направленного действия внешнего магнитного поля. В промышленных измерительных системах Micropulse и Temposonics используется магнитострикционный эффект, который называется эффект Видемана. Он описывает механическую деформацию (скручивание) длинного, тонкого ферромагнитного стержня, который находится под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В датчиках линейных перемещений Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается позиционным магнитом, которое при пересечении с концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же, в датчиках Micropulse используется так называемый, магнитоупругий эффект (или эффект Виллари). Он связан с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Чтобы превратить изложенные выше физические основы в надежно работающую измерительную систему, была предложена конструкция датчика, представленная на рисунке 3. Датчик линейных перемещений Micropulse состоит из 5 основных частей:

измерительный элемент (волновод);
электроника датчика;
позиционер в виде постоянного магнита;
преобразователь торсионного импульса;
демпфирующая часть (на конце стержня, в которой гасится вторая часть торсионного импульса).

«Стержнем» измерительной системы является ферромагнитный измерительный элемент, использующийся как волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна до преобразователя импульсов. Измеряемая позиция определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Этот магнит создает магнитное поле в волноводе и связан с объектом измерения. Здесь нужно подчеркнуть, что между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом), полностью отсутствует механическая связь. Это гарантирует очень долгий срок службы датчиков Баллуфф Micropulse (MTS Temposonics) на основе этого принципа измерения. Волновод в сенсорах линейных перемещений Micropulse имеет наружный диаметр 0.7 мм, а внутренний 0.5 мм. Медный проводник проходит по всей длине волновода.
Измерительный процесс инициируется коротким импульсом тока, который посылается из электронной части сенсора по медному проводнику. При перемещении импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (см. рисунок 3). При пересечении с магнитным полем постоянного магнита- позиционера, возникает ,согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, которая является высокодинамичным процессом, вследствие скорости токового импульса. Из-за этого возникает ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода, однако в одном из концов она полностью гасится и ,таким образом, помехи и искажения сигнала исключаются. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в специальном преобразователе. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

При кажущейся внешней сложности принципа измерения на котором созданы датчики линейных перемещений Balluff Micropulse , очевидны несколько преимуществ, которыми они обладают: измерять расстояние можно с наивысшей точностью; металлические магнитострикционные материалы обладают долговременными и очень стабильными параметрами; благодаря специальному дизайну и конструкции датчика, вся измерительная система надежно защищена от внешних воздействий, например от вибрации станков. Из суммы этих преимуществ получаем высокоточные датчики перемещения Balluff Micropulse , обладающие высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

Воплощение магнитострикционного принципа в измерительную систему, удовлетворяющую суровым требованиям промышленного производства, ставит высокие требования к возможностям и компетенции производителя датчиков. Инженеры Balluff обладают фундаментальными физическими знаниями, накопленную за десятилетия лабораторных опытов информацию по магнитострикционным материалам. Например, были детально исследованы различные варианты схемы преобразователя торсионных импульсов, которые представлены на рисунке 4. При этом оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную (скручивающую) волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Причем в каждом поколении магнитострикционных датчиков Balluff конструкция и схема совершенствуются и развиваются, находясь на самом современном уровне.

при перепечатке прямая ссылка на sensoren.ru обязательна!

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse Магнитострикционный принцип измерения датчиков перемещения Micropulse и Temposonic

Индуктивный датчик: принцип работы, схемы подключения, характеристики

В современных станках и высокоточном оборудовании, где важно контролировать положение конструктивных элементов устанавливается индуктивный датчик. Для чего применяется данное устройство, какие разновидности и способы подключения существуют, как оно работает, мы рассмотрим в данной статье.

Назначение

Индуктивный датчик предназначен для контроля перемещения рабочего органа без непосредственного контакта с ним. Основной сферой применения для него является станочное оборудование, точные медицинские приборы, системы автоматизации технологических процессов, измерения и контроля формы изделия. В соответствии с положениями п.2.1.1.1 ГОСТ Р 50030.5.2-99 это датчик, который создает электромагнитное поле в области чувствительности и обладает полупроводниковым коммутатором.

Сфера применения индуктивных датчиков во многом определяется их высокой надежностью и устойчивостью к воздействию внешних факторов. На их показания и работу не влияют многие факторы окружающей среды: влага, оседание конденсата, скопление пыли и грязи, попадание твердых частиц. Такие особенности обеспечиваются их устройством и конструктивными данными.

Устройство

Развитие сегмента радиоэлектроники привело не только к совершенствованию первоначальных механизмов, но и к возникновению принципиально новых индуктивных датчиков. В качестве примера рассмотрим один из простейших вариантов (рисунок 1):

Рис. 1. Устройство индуктивного датчика

Как видите на рисунке, в его состав входят:

магнитопровод или ярмо (1) – предназначен для передачи электромагнитного поля от генератора в зону чувствительности;
катушка индуктивности (2) – создает переменное электромагнитное поле при протекании электрического тока по виткам;
объект измерения (3) – металлический якорь, вводимый или перемещаемый в области чувствительности, неметаллические предметы не способные влиять на состояние электромагнитного поля, поэтому они не используются в качестве детектора;
зазор между объектом измерения и основным магнитопроводом (4) – обеспечивает меру взаимодействия в качестве магнитного диэлектрика, в зависимости от модели датчика и способа перемещения может оставаться неизменным или колебаться в заданном диапазоне;
генератор (5) — предназначен для генерации электрического напряжения заданной частоты, которое будет создавать переменное магнитное поле в заданной области.

Принцип работы

Принцип действия индуктивного датчика заключается в способности электромагнитного поля изменять свои параметры, в зависимости от значения магнитной проводимости на пути протекания потока. В основе его работы лежит классический вариант катушки, намотанной на сердечник.

Рис. 2. Магнитное поле в состоянии покоя

При протекании электрического тока I по виткам этой катушки генерируется магнитное поле (см. рисунок 2), результирующий вектор магнитной индукции B которого определяется по правилу Правой руки. При движении магнитного поля по сердечнику, ферромагнитный материал обеспечивает максимальную пропускную способность. Но, как только линии магнитной индукции попадают в воздушное пространство, магнитная проводимость существенно ухудшается и часть поля рассеивается.

Рис. 3. Магнитное поле при введении объекта срабатывания

При внесении в область действия поля индуктивного датчика объекта срабатывания (рисунок 3), изготовленного из металла, напряженность линий индукции резко изменяется. В результате чего усиливается поток и меняется его значение, а это, в свою очередь, приводит к изменению электрической величины в цепи катушки за счет явления взаимоиндукции. На практике этот сигнал слишком мал, поэтому для расширения предела измерения индуктивного датчика в их схему включается усилитель.

Расстояние срабатывания и объект воздействия

В зависимости от конструкции и принципа действия индуктивного датчика объект воздействия может иметь вертикальное или горизонтальное перемещение относительно самого измерителя. Однако реакция сенсора на начало движения контролируемого объекта может начинаться не сразу, что обуславливается номинальным расстоянием, при котором обеспечивается зона чувствительности датчика и техническими параметрами объекта.

Рис. 4. Область и объект срабатывания

Как видите на рисунке 4, в первом положении контролируемый объект находится на таком удалении, где электромагнитные линии не достигают его поверхности. В таком случае с индуктивного датчика сигнал сниматься не будет, так как он не фиксирует перемещения в зоне чувствительности. Во втором положении контролируемый объект уже пересек расстояние срабатывания и вошел в чувствительную зону. В результате взаимодействия с объектом на выходе датчика появится соответствующий сигнал.

Также расстояние срабатывания будет зависеть от геометрических размеров, формы и материала. Следует заметить, что в качестве объекта срабатывания индуктивного датчика применяются только металлические предметы, но от конкретного типа будет отличаться и момент перехода датчика в противоположное состояние, что изображено на диаграмме:

Рис. 5. Зависимость расстояния срабатывания от материала

На практике существует огромное разнообразие индуктивных датчиков, всех их можно разделить на две большие категории, в зависимости от рода питающего тока – переменного и постоянного. В зависимости от состояния контактов в соответствии с таблицей 1 р.3 ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивные датчики бывают:

замыкающий – при перемещении контролируемого объекта происходит перевод во включенное положение;
размыкающий – в случае воздействия индуктивный датчик переводит контакты в отключенное положение;
переключающий – одновременно объединяет оба предыдущих варианта, за одну коммутацию переводит один вывод во включенное, второй, в отключенное положение.

По количеству измерительных цепей индуктивные датчики подразделяются на одинарные и дифференциальные. Первый из них обладает одной катушкой и одной цепью измерения. Второй тип подразумевает наличие двух сенсоров, измерительные цепи которых включаются в противофазу для сравнения показаний.

Рис. 6. Одинарый и дифференциальный датчик

По способу передачи данных индуктивные датчики подразделяются на аналоговые, электронные и цифровые. В первом случае применяются те же катушки и ферромагнитные сердечники. Электронные используют триггер Шмидта вместо ферромагнетиков для получения гистерезисной составляющей. Цифровые выполняются в формате печатных плат на микросхемах. Помимо этого виды подразделяются по количеству выводов датчика: два, три, четыре или пять.

Характеристики (параметры)

При выборе индуктивного датчика для решения конкретной задачи руководствуются параметрами цепи, в которых он будет функционировать и основной логикой схемы. Поэтому обязательно проверяется соответствие их параметров:

напряжение питания – определяет допустимый минимум и максимум разности потенциалов, при которой индуктивный датчик нормально работает;
минимальный ток срабатывания – наименьшее значение нагрузки, при котором произойдет переключение;
расстояние срабатывания – допустимый промежуток удаления, при котором будет происходить коммутация;
индуктивное и магнитное сопротивление – определяет проводимость электрического тока и линий магнитной индукции для конкретной модели;
поправочный коэффициент – применяется для внесения поправки, в зависимости от дополнительных факторов;
частота переключений – максимально возможное количество раз коммутации в течении секунды;
габаритные размеры и способ установки.

Примеры подключения на схемах

Конструктивные особенности индуктивных датчиков определяют количество их выводов и способ дальнейшего подключения. В виду того, что существует четыре наиболее распространенных типа, рассмотрим примеры схем их подключения.

Двухпроводных датчиков индуктивности

Как видите на схеме выше, двухпроводные индуктивные датчики применяются исключительно для непосредственной коммутации нагрузки: контакторов, пускателей, катушек реле в качестве электронного выключателя. Это наиболее простая схема и модель, но работа конкретной модели сильно зависит от параметров подключаемой нагрузки.

Трехпроводных датчиков индуктивности

В трехпроводной схеме присутствует два вывода на питание самого индуктивного датчика, а третий, предназначен для подключения нагрузки к нему. По способу коммутации их подразделяют на PNP и NPN, первый вид коммутирует положительный вывод, откуда и происходит название, второй тип коммутирует отрицательный вывод.

Четырехпроводных датчиков индуктивности

По аналогии с предыдущим датчиком, четырехпроводный также использует два вывода 1 и 3 для получения питания. А вот 2 и 4 вывод используется для подключения нагрузки с той разницей, что коммутация для обеих нагрузок будет противоположной.

Пятипроводных датчиков индуктивности

В пятипроводном индуктивном датчике два вывода применяются для подачи напряжения на чувствительный элемент датчика, в рассматриваемом примере это 1 и 3. Два вывода 2 и 4 подают питание на разные нагрузки, а управляющий вывод 5 позволяет выбирать различные режимы работы и менять логику переключений.

Преимущества и недостатки

В сравнении с другими типами сенсорных устройств индуктивные датчики продолжают занимать весомую нишу, наращивая темпы внедрения в различные сферы промышленности и отрасли народного хозяйства. Такое частое применение объясняется рядом весомых преимуществ:

высокая надежность за счет простой конструкции и отсутствия подвижных контактов;
может функционировать как от бытовой сети, так и от специальных генераторов, преобразователей и прочих источников питания;
способны обеспечивать значительную мощность на выходе — порядка нескольких десятков Ватт;
характеризуются высокой чувствительностью в зоне измерения.

Но, вместе с тем, существуют и недостатки индуктивных датчиков, которые не позволяют использовать их повсеместно. Среди наиболее существенных минусов являются громоздкие размеры, не позволяющие монтировать их в любых устройствах. Также к недостаткам относится зависимость параметров работы от температурных и других факторов, вносящих поправку на точность.

Источник: gk-rosenergo.ru