Датчик положения (датчик позиции) что такое?

Датчик положения (датчик позиции) что такое?

Исходя из самой характеристики прибора, речь о датчике, которым обнаруживается положение чего-либо. Этот тип датчиков обеспечивает «позиционную» обратную связь. Одним из способов определения положения является использование «расстояния», которое измеряется между двумя точками. Например, пройденное расстояние или перемещение от некоторой неподвижной точки, а также «вращение» (угловое движение). В любом случае, датчик положения определяет движение объекта по прямой линии с использованием линейных сенсоров или путём углового перемещения с помощью вращающихся сенсоров.

Потенциометр – популярный компонент датчика

Наиболее часто используемым компонентом для всех «датчиков положения», как правило, является потенциометр. Приоритет использования потенциометра очевиден, так как конструкция является недорогим и удобным для применения в датчиках положения.

Потенциометр имеет скользящий контакт, связанный механически с валом. Конструкция контактного движения допустима как угловая (вращательная), так и линейная (ползунковая).

Главное требование — вызвать изменение значения сопротивления между контактами ползуна и двумя концевыми соединениями.

Таким способом формируется электрический сигнал, имеющий пропорциональное соотношение между фактическим состоянием ползуна резистивной дорожки потенциометра и значением сопротивления потенциометра. Другими словами – значение сопротивления пропорционально положению.

Датчик положения типа потенциометра
Структурная схема прибора по принципу потенциометра: 1 – ползунок потенциометра; 2 – кондуктивный или резистивный трек; 3, 7 – питание «плюс»; 4 – выходной сигнал; 5 – угловое перемещение вала; 6, 8 – питание «минус»; 9 – линейный выход

Потенциометры поставляются в широком диапазоне конструкций и размеров. Широко распространены круглые и длинные, плоские линейные потенциометры.

При использовании в качестве датчика положения, подвижный объект подключается непосредственно к вращающемуся валу или ползунку потенциометра.

Опорное напряжение постоянного тока подается через два внешних неподвижных соединения, образующих резистивный элемент. Сигнал выходного напряжения берётся от клеммы скользящего контакта, как показано ниже.

Такая конфигурация создаёт выходное напряжение (делитель напряжения), пропорциональное положению вала. Например, на резистивный элемент потенциометра подаётся напряжение 10 вольт.

Тогда на скользящем контакте максимальное выходное напряжение будет равно напряжению питания 10 вольт, а минимальное выходное напряжение, соответственно, 0 вольт.

Если ползунок потенциометра установить в центральной точке полного пути прохождения, на выходе, соответственно, получится половина питающего напряжения, то есть — 5 вольт.

Пример простой позиционной измерительной цепи:

Схема подключения датчика положения
1 – сенсор; 2 – питание «плюс»; 3, 4 – выходной усиленный сигнал; R1, R2, R3, R4 – электронные компоненты схемы усилителя; ОУ – операционный усилитель

Преимущества и недостатки датчиков-потенциометров

Резистивные датчики положения по типу потенциометра имеют массу преимуществ:

  • низкая цена,
  • экономичная технология,
  • простота использования и т. д.,

Однако датчикам положения присущи также много недостатков:

  • износ движущихся частей,
  • невысокая степень точности,
  • слабая повторяемость,
  • ограниченная частотная характеристика.

Главным недостатком считается использование потенциометра в качестве позиционного датчика.

Диапазон перемещения ползунка в этом случае (следовательно, получение выходного сигнала) ограничивается физическим размером используемого потенциометра.

Например, однооборотный поворотный потенциометр обычно имеет фиксированное механическое вращение в диапазоне 0º — 240º, максимум — 330º.

Тем не менее, доступны к применению многооборотные потенциометры с диапазоном вплоть до 3600º (10×360º) механического вращения.

Большинство типов потенциометров используют углеродную пленку под формирование резистивной дорожки. Но такой тип часто проявляет дефект электрических шумов (к примеру, регулятор громкости радиосигнала). Механический ресурс таких резисторов ограничен.

Сенсоры на основе проволочных реостатов

Другой тип — проволочные реостаты, изготовленные по форме проводника с прямой проволокой, либо в образе катушки, намотанной спиралью. Однако проволочные реостаты обладают проблемой, связанной с переходом по сегментам проволоки.



Это сопровождается логарифмическим результатом по выходу, что приводит к искажению выходного сигнала. Также проволочные реостаты дают электрические помехи.

Для высокоточных малошумных применений в настоящее время доступны потенциометры на основе полимерного сопротивления.

Такие конструкции имеют гладкую электрическую линейную резиновую дорожку с низким коэффициентом трения.

Конструкция дорожки обеспечивает:

  • низкий уровень шума,
  • длительный срок службы,
  • хорошее свойство дискретности.

Подобная технология доступна как для многооборотных, так и для однооборотных устройств. Типичное применение этого типа высокоточного датчика положения:

  • джойстик компьютерных игр,
  • рулевые колёса,
  • промышленные и роботизированные разработки.

Индуктивные датчики положения

Типичным позиционным датчиком, которому не страшен механический износ, является «линейный переменный дифференциальный трансформатор».

Это индуктивный датчик положения, который используется для измерения движения и работает по тому же принципу, что трансформатор переменного тока.

Точное устройство измерения линейного перемещения, выход которого пропорционален положению подвижного сердечника.

Линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ)

Конструкция ЛДТ содержит три катушки, намотанные на полом трубчатом наконечнике. Одна катушка образует первичную обмотку, две другие образуют идентичные вторичные обмотки, соединенные электрически последовательно, но смещённые на 180º по фазе относительно обеих сторон первичной обмотки.

Подвижный мягкий железный ферромагнитный сердечник (именуемый также «арматурой»), соединённый с измеряемым объектом, скользит или перемещается вверх и вниз внутри трубчатого тела ЛДТ.

Небольшой потенциал переменного напряжения «сигнал возбуждения» (2 – 20 вольт среднеквадратичное значение, 2 — 20 кГц) прикладывается к первичной обмотке. В результате наводится сигнал ЭДС в двух соседних вторичных обмотках трансформатора.

Арматура магнитного сердечника на основе мягкого железа изначально находится точно в центре трубки — в «нулевом положении» относительно обмоток.

Индуцированные ЭДС двух вторичных обмоток, в данном случае, обнуляют выход друг друга, так как не совпадают по фазе. Соответственно, выходное напряжение равно нулю.

По мере смещения сердечника в одну или другую сторону от нулевой позиции, индуцированное напряжение внутри одной из вторичных катушек будет увеличиваться по сравнению с другой катушкой. На выходе появится напряжение.

Зависимость полярности выходного сигнала

Полярность выходного сигнала зависит от направления и смещения движущегося сердечника. Чем больше движение сердечника в сторону от центрального нулевого положения, тем больше будет результирующий выходной сигнал.

В результате получается дифференциальный выход напряжения, линейно изменяющийся с положением сердечника.

Следовательно, выходной сигнал этого типа датчика положения обладает амплитудой, которая является линейной функцией смещения сердечника, и полярностью, которая указывает направление движения.

Фазу выходного сигнала можно сравнить с фазой возбуждения первичной обмотки с помощью подходящих электронных схем, таких как усилитель сигнала датчика — AD592.

Индуктивный датчик положения
Структурная схема линейного дифференциального трансформатора: 1, 3 – вторичные обмотки; 2 – первичная обмотка; 4 – детектируемое линейное движение; 5 – сердечник на основе никель-железа; 6 – выходной сигнал; 7 – сигнал возбуждения

Когда арматура перемещается от одного конца к другому через центральное положение, выходные напряжения изменяются от максимума до нуля и снова возвращаются к максимуму, но в процессе изменения фазового угла на 180 градусов.

Этот фактор позволяет генерировать выходной сигнал переменного тока, величина которого представляет собой величину движения от центрального положения, а фазовым углом определяется направление движения сердечника.

Типичное применение датчика линейного переменного дифференциального трансформатора — преобразователь величины давления, если бы измеряемое давление воздействовало на диафрагму для создания силы. Затем сила преобразуется в считываемый сигнал напряжения с помощью датчика положения.

Преимущества линейного переменного дифференциального трансформатора (ЛПДТ) по сравнению с резистивным потенциометром выражаются:

  • очень высокой точностью,
  • хорошими свойствами дискретности,
  • высокой чувствительностью,
  • отсутствием эффекта трения,
  • высоким уровнем герметичности сборки.

Индуктивные датчики приближения

Ещё одним типичным исполнением индуктивного датчика положения является индуктивный датчик приближения (вихретоковый датчик). Этот тип приборов фактически не измеряет смещение или угловое вращение.

Индуктивный датчик приближения в основном используется для обнаружения присутствия объекта перед ним или в непосредственной близости. Отсюда и название «датчик приближения».

Датчики приближения — это бесконтактные датчики положения, использующие магнитное поле для обнаружения в паре с простейшим магнитным датчиком — герконом.

В индуктивном датчике катушка намотана вокруг железного сердечника внутри электромагнитного поля с образованием индуктивной петли.

Когда ферромагнитный материал помещается внутрь поля вихревого тока, создаваемого вокруг индуктивного датчика, подобного ферромагнитной металлической пластине или металлическому винту, индуктивность катушки значительно изменяется.

Схема обнаружения бесконтактных датчиков обнаруживает это изменение, создавая выходное напряжение. Поэтому индуктивные датчики приближения работают по электрическому принципу закона индуктивности Фарадея.

Составные компоненты датчика приближения 

Индуктивный датчик приближения имеет четыре основных компонента:

  1. Генератор, создающий электромагнитное поле.
  2. Катушку, генерирующую магнитное поле.
  3. Схему обнаружения изменений поля.
  4. Выходной контур.

Индуктивные датчики приближения позволяют обнаруживать металлические предметы перед головкой датчика без какого-либо физического контакта с самим объектом.

Это делает приборы идеальными для использования в сильно загрязнённых или влажных средах. Чувствительный диапазон датчиков приближения очень мал, обычно от 0,1 до 12 мм.

Индуктивный датчик приближения
Индуктивный датчик приближения: 1 – цель; 2 – поверхность восприятия; 3 – генератор; 4 – триггерный уровень; 5 – преобразователь сигнала; 6 – усилитель выходного сигнала

Помимо промышленных применений, индуктивные датчики приближения также обычно используются для управления потоком трафика путём смены светофоров на стыках и перекрестках путей. Прямоугольные индуктивные петли провода внедряются под асфальтированную дорожную поверхность.

Когда автомобиль или другое дорожное транспортное средство проходит над индуктивной петлёй, металлический корпус транспортного средства изменяет индуктивность шлейфов и активирует датчик. Тем самым выдаётся предупреждение контроллеру светофора о наличии транспортного средства.

Одним из основных недостатков таких датчиков положения является эффект «всенаправленности». То есть металлический предмет воспринимается либо сверху, либо ниже, либо сбоку.

Кроме того, не способны обнаруживать неметаллические объекты. Правда, доступны ёмкостные и ультразвуковые датчики приближения. Другие общедоступные магнитные позиционные датчики включают в себя:

  • герконовые реле,
  • датчики эффекта Холла,
  • датчики переменного сопротивления.

Вращающиеся измерительные датчики (оптические кодеры)

Очередной тип датчиков положения, которые напоминают потенциометры, упомянутые ранее, но являются бесконтактными оптическими устройствами.

Такие датчики положения используются для преобразования углового положения вращающегося вала в аналоговый или цифровой код данных.

Другими словами, имеет место преобразование механического движения в электрический сигнал (предпочтительно цифровой).

Все оптические кодеры работают по одному основному принципу. Излучение светодиодного или инфракрасного источника света пропускается через вращающийся диск с высоким разрешением, который содержит требуемые шаблоны кода:

  • двоичный,
  • код Грея,
  • BCD.

Фотодетектор сканирует диск при вращении, электронная схема обрабатывает информацию в цифровой форме как поток двоичных выходных импульсов, подаваемых на счетчики или контроллеры, которыми определяется фактическое угловое положение вала.

Типы ротационных оптических кодеров

Существует два основных типа ротационных оптических кодеров:

  1. Инкрементные энкодеры.
  2. Абсолютные кодеры положения.

Инкрементные энкодеры (квадратурные кодеры или относительный поворотный датчик), являются простейшими из двух датчиков положения.

На выходе выдают серию прямоугольных импульсов, генерируемых устройством фотоэлемента в виде кодированного диска с равномерно распределенными прозрачными и темными линиями.

Эти линии называются сегментами поверхности, которые двигаются или вращаются мимо источника света. Кодер создает поток прямоугольных волновых импульсов, подсчётом которых определяется угловое положение вращающегося вала.

Инкрементные энкодеры обладают двумя отдельными выходами — «квадратурными выходами». Эти два выхода смещены на 90º по фазе относительно один другого с определением направления вращения вала по выходной последовательности.

Количеством прозрачных и темных сегментов (слотов) диска определяется дискретность устройства. Увеличением количества строк в шаблоне увеличивается дискретность на степень вращения. Типичные кодированные диски имеют дискретность до 256 импульсов или 8 бит на оборот.

Самый простой инкрементный кодер называется тахометром. Устройство тахометр имеет один выход прямоугольной формы и часто используется в однонаправленных приложениях, где требуется только базовая информация о местоположении или скорости.

Кодер «квадратурный» («синусоидальная волна») является распространенным устройством. Даёт две выходные прямоугольные волны, обычно называемые каналом «А» и каналом «В».

Это устройство использует два фотодетектора, смещенных относительно друг друга на 90°. Тем самым создаётся два отдельных синусоидальных и косинусных сигнала выхода.

Инкрементный кодер
Инкрементный кодер: 1 – кодированные светлые и тёмные сектора диска; 2 – вращение диска; 3 – фото детектор перемещаемый на 90º; 4 – канал «А»; 5 – канал «В»

Вычисление угла вращения вала

Используя математическую функцию, можно вычислить угол вала в радианах. Как правило, оптический диск, используемый во вращающихся координатах положения, является круговым. Тогда дискретность выходного сигнала будет иметь вид:

θ = 360 / n

где n — число сегментов на кодированном диске.

Например, количество сегментов, необходимых для создания инкрементного кодера, имеющего дискретность 1º.

Если 1º = 360 / n,

тогда n = 360 сегментов и т. д.

Также направление вращения определяется путём указания, какой канал производит выход первым — канал A, либо канал B, дающие два направления вращения. Канал «A» ведёт «B» или канал «B» ведёт «A».

Одним из основных недостатков инкрементных датчиков при использовании в качестве датчика положения является то, что этот вид приборов требует внешних счетчиков для определения абсолютного угла вала в пределах заданного вращения.

Если питание моментально отключено или датчик пропускает импульс по причине шума или грязного диска, тогда полученная угловая информация приведёт к ошибке. Одним из способов преодоления этого недостатка является использование кодеров абсолютного положения.

Кодеры абсолютного положения

Кодеры абсолютного положения более сложные устройства, чем квадратурные энкодеры.  Кодеры абсолютного положения обеспечивают уникальный код выхода для каждой отдельной позиции вращения, указывающей как положение, так и направление.

В этом варианте кодированный диск состоит из нескольких концентрических «дорожек» светлых и темных сегментов. Каждый трек, независим от своего собственного фотодетектора, одновременно считывает уникальное кодированное положение для каждого угла движения.

Количество дорожек на диске соответствует бинарному «бит» — дискретному положению кодировщика. Поэтому 12-битный абсолютный кодер будет иметь 12 дорожек, а одно и то же кодированное значение появляется только один раз за оборот.

Четырёхбитный бинарный кодированный диск
Четырёхбитный бинарный кодированный диск: 1 – кодированные сектора диска; 2 – вращение диска; 3 – четыре фото детектора, по одному на сектор; 4 – четырёхбитный кодированный выходной сигнал

Одним из основных преимуществ абсолютного энкодера является его энергонезависимая память, которая сохраняет точное положение кодировщика без необходимости возврата в «домашнее» положение в момент сбоя питания.

Большинство поворотных кодеров определяются как «однооборотные» устройства, но также доступны абсолютные многооборотные устройства, которые получают обратную связь в течение нескольких оборотов путём добавления дополнительных кодов.

Типичное применение кодеров абсолютного положения:

  • конструкции жестких дисков компьютеров,
  • головки чтения записи CD / DVD-приводов,
  • печатающие головки принтеров или плоттеров.

На основе информации: Electronics-Tutorials


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *