Датчики положения

Датчики

Датчики положения используются в САУ для измерения положения или перемещения объектов управления (ОУ), а также для преобразования в электрические сигналы перемещений чувствительных элементов в датчиках силы, давления, температуры и других измеряемых величин.

Резистивные датчики положения преобразуют входное перемещение чувствительного элемента в изменение сопротивления одного или нескольких резисторов в электрической схеме, что приводит к изменению выходного напряжения датчика.

Электроконтактные датчики положения являются резистивными преобразователями релейного действия (да — нет), преобразующими небольшое перемещение подвижной части подпружиненного механического устройства с двумя устойчивыми состояниями в мгновенное замыкание или размыкание электрических контактов. Электроконтактные датчики применяются в САУ для ограничения различных физических величин. Например, для ограничения перемещений ОУ (в путевых и конечных выключателях в лифтах, подъёмных кранах, станках и др.) или ограничения температуры (в электроутюгах, холодильниках и др.) В САУ также применяются магнитоуправляемые герметические контакты (герконы) и бесконтактные ключи на транзисторах и симисторах, обеспечивающие высокое быстродействие и износоустойчивость электроконтактных датчиков.

Потенциометрические датчики положения (ПДП) преобразуют положение подвижного токосъемного контакта (движка) резисторного потенциометра в выходное напряжение датчика [1, 10]. По конструкции ПДП могут быть ступенчатыми и непрерывными, линейными, угловыми и многооборотными (с перемещением движка по спиральному потенциометру), нереверсивными (с получением выходного сигнала с движка и одного из концов потенциометра) и реверсивными (с получением выходного сигнала с движка и средней точки потенциометра).

В САУ обычно используют проволочные ПДП с линейной зависимостью выходного напряжения от перемещения движка ПДП. Сопротивлением в ПДП служит изолированная проволока с малым температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) из константана, манганина или нихрома диаметром 0,03—0,4 мм, равномерно намотанная в один ряд на токонепроводящую трубку, кольцо или изогнутую по спирали ленту, по зачищенной поверхности витков которой скользит токосъёмник из двух-трех упругих проволочек или пластинок. Достоинства проволочных ПДП: простота конструкции, малые габариты и вес, высокая точность и стабильность статических характеристик, работа на постоянном и переменном токе, малое переходное сопротивление контакта токосъёмника, малый ТКС, малая стоимость. Недостатки проволочных ПДП: скользящий контакт и электроэрозия при искрении в токосъёмнике; низкая износоустойчивость; наличие шумов; ограничение частоты питания до 1 кГц из-за возрастания влияния индуктивности и ёмкости обмотки из проволоки; изменение погрешности при перемещении движка и изменении нагрузки; малый коэффициент и ступенчатость преобразования (из-за витков намотки проволоки).

Для замены проволочных ПДП созданы ПДП с токопроводящей пластмассой, имеющие выше разрешающую способность и частоту напряжения питания, ниже уровень шумов, величину индуктивности и ёмкости, но ПДП с токопроводящей пластмассой имеют ниже точность и стабильность, выше ТКС и переходное сопротивление в точке контакта с токосъёмником, что ограничивает их применение.

Для бесконтактности и износоустойчивости разработаны фотоэлектрические ПДП (ФПДП), где резистивный слой и прозрачный токопроводящий слой разделены полупроводниковой плёнкой, в которой в точке воздействия узкой полоски света образуются фотоэлектроны, замыкающие в этой точке проводящий и резистивный слои, аналогично контакту подвижного токосъёмника в проволочном ПДП. При перемещении светового луча вдоль резистивного слоя обеспечивается бесконтактное реверсивное функционирование ФПДП относительно средней точки резистивного слоя. ФПДП лишены многих недостатков проволочных ПДП, однако из-за сложности световодного устройства, низкой точности, температурной нестабильности, малой выходной мощности и высокого переходного сопротивления в месте воздействия светового луча не нашли применения в САУ.

См. также:  Динамические свойства частотно-регулируемых электроприводов

Нереверсивные индуктивные датчики положения (НИДП) [1, 10] преобразуют изменение положения подвижного ферромагнитного сердечника датчика в изменение его индуктивности, тока и выходного напряжения при питании от источника переменного тока с неизменным напряжением (рис. 6.2.1). По конструкции НИДП имеют магнитопровод, набранный из тонких пластин электротехнической стали, с подвижным сердечником и изменением воздушного зазора (рис. 6.2.1, а) для измерений положения в пределах до 0,1—1,0 мм; с изменением площади сечения магнитопровода (рис. 6.2.1, б) для измерений в пределах до 5—8 мм; плунжерного типа (рис. 6.2.1, в) для измерений в пределах до 50 мм. Питание НИДП осуществляется от сети промышленной частоты 50 Гц или от источника повышенной частоты (400—1000 Гц), что позволяет уменьшить массу и габариты датчика. НИДП и другие индуктивные датчики представляются в САУ безынерционными звеньями. Недостатки НИДП: наличие выходного напряжения при нулевом положении сердечника (рис. 6.2.1, г), низкая чувствительность, нечувствительность к изменению направления перемещения сердечника от среднего положения, наличие электромагнитной силы, стремящейся сдвинуть сердечник в нулевое положение, что требует применения противодействующих пружин, усложняющих устройство НИДП. Указанные недостатки отсутствуют в реверсивных (двухтактных) индуктивных датчиках положения.

Датчики положения

Рис. 6.2.1 — Нереверсивные индуктивные датчики положения

Трансформаторные датчики положения (ТДП) [1, 10] преобразуют положение подвижного сердечника (якоря) датчика в выходное напряжение UВЫХ, амплитуда которого зависит от величины, а фаза — от направления смещения якоря от среднего (нулевого) положения (рис. 6.2.3). В линейных (рис. 6.2.3, а) и угловых (рис. 6.2.3, б) ТДП две одинаковые обмотки возбуждения, расположенные на крайних стержнях ТДП с Ш-образным магнитопроводом, набранным из тонких пластинок электротехнической стали, создают при среднем положении якоря, вследствие одинаковых магнитных сопротивлений и индуктивностей правой и левой половин магнитопровода, одинаковые магнитные потоки, которые в среднем сердечнике направлены встречно, и в выходной вторичной обмотке ТПД, расположенной на среднем стержне, напряжение равно нулю. При отклонении якоря ТДП от среднего положения равенство магнитных потоков нарушается и в средней обмотке создаётся выходное напряжение UВЫХ ТПД аналогично диаграмме (рис. 6.2.2, в).

Датчики положения

Рис. 6.2.2 — Реверсивные индуктивные датчики положения

В ТДП плунжерного типа (рис. 6.2.3, г) катушки первичной и вторичной обмоток размещены концентрично в двух секциях симметричного цилиндрического магнитопровода с общим подвижным цилиндрическим сердечником (якорем). Две половины обмотки возбуждения питаются от источника переменного тока с неизменным напряжением U и включаются последовательно и согласно, создавая в левой и правой половинах магнитопровода ТПД одинаковые магнитные потоки при среднем положении якоря. Две половины вторичной обмотки также включаются последовательно, но встречно, и поэтому в среднем положении якоря выходное напряжение ТДП равно нулю. При отклонении якоря от среднего положения появляется выходное напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине отклонения, а фаза изменяется на 180° относительно напряжения питания в зависимости от направления отклонения по диаграмме (рис. 6.2.2, в).

См. также:  Индукционные расходомеры

Датчики положения

Рис. 6.2.3 — Трансформаторные датчики положения

В ТДП на вращающемся трансформаторе (ВТ) (рис. 6.2.3, в) [1, 10] на неподвижном статоре, набранном из тонких пластин электротехнической стали, расположена обмотка возбуждения, которая получает питание ~U и создает переменный магнитный поток по оси 1-1, проходящий через воздушный зазор и поворачивающийся ротор, набранный из пластин электротехнической стали с размещенной в его пазах выходной обмоткой. В зависимости от угла поворота α плоскости обмотки ротора 2-2 относительно оси 1-1 магнитного потока возбуждения в обмотке ротора трансформируется действующее значение выходного напряжения Датчики положения. Максимальное значение напряжения Датчики положенияполучается при α=90° и при α=180°, но второй максимум при Датчики положениясоответствует напряжению Датчики положения, что указывает на изменение фазы на 180°. Нулевое значение Uвых=0 и изменение её фазы на 180° получаются при Датчики положенияи Датчики положения, которые соответствуют отсутствию трансформаторной связи между обмоткой возбуждения и обмоткой ротора (их магнитные оси перпендикулярны, и коэффициент трансформации Датчики положения). Положение обмотки ротора относительно магнитного потока возбуждения при Датчики положенияпринимается за нулевое положение ТДП на ВТ и ОУ в САУ. При этом статическая характеристика ТДП на ВТ изменяется по синусоиде и при вращении ротора ВТ будет бесконечно изменяться по формуле Датчики положения(рис. 6.2.4). Линейная рабочая зона измерений находится внутри пределов Датчики положения.

Датчики положения

Рис. 6.2.4 — Статическая характеристика

однофазных ВТ

Индуктосины (ИС) преобразуют изменение линейного или углового взаимного положения первичной и вторичной обмоток в изменения амплитуды и фазы выходного напряжения [1, 10]. Конструктивно ИС представляет собой многополюсный воздушный трансформатор линейного (рис. 6.2.5, а) или кругового типа (рис. 6.2.5, в) с однофазной и двухфазной печатными обмотками прямоугольной формы, расположенными на двух параллельных пластинах из изоляционного материала напротив друг друга с воздушным зазором 0,1—0,5 мм (рис. 6.2.5, а). Одна из пластин (статор) неподвижна, а другая пластина (ротор) перемещается относительно пластины-статора линейно или по углу поворота, соответственно движениям механически связанного с пластиной-ротором объекта управления (ОУ), положение которого требуется измерять. Однофазная и двухфазная обмотки ИС имеют одинаковый шаг λ расположения витков (например, λ=2 мм), но две секции двухфазной обмотки смещены относительно друг друга на любое целое число шагов плюс четверть шага, т.е. на Nλ+λ/4 шагов, что дает сдвиг π/2 или 90 электрических градусов (рис. 6.2.5, б). Однофазная обмотка расположена на одной пластине и имеет длину в линейном ИС (рис. 6.2.5, б) или окружность в круговом ИС (рис. 6.2.5, в), равную максимальному измеряемому перемещению, а две секции двухфазной обмотки располагаются на другой пластине. Токовые выводы от подвижных обмоток ИС на пластине-роторе выполняются гибкими проводами.

Датчики положения

Рис. 6.2.5 — Cхемы обмоток индуктосинов

Индуктосины используются совместно с электронно-вычислительными устройствами (ЭВУ), поскольку диапазон измерения взаимного перемещения пластин ИС в режиме измерения амплитуды выходного напряжения ИС составляет всего ±λ/4 (или ±90°) и ±λ/2 (или ±180°) в режиме измерения фазового сдвига выходного напряжения (рис. 6.2.4), что при λ=2 мм составляет ±0,5 мм и ±1 мм. Все ранее произведенные измерения должны суммироваться в реальном времени и запоминаться в ЭВУ.

См. также:  Качество нелинейных САУ

В амплитудном режиме измерений на одну из двухфазных обмоток подается синусоидальное напряжение возбуждения Датчики положения, а с однофазной обмотки предельно измеряемой длины снимается трансформаторная ЭДС, максимальное значение которой изменяется аналогично диаграмме однофазного ВТ (рис. 6.2.4), где перемещение ротора ВТ на ±90° соответствует взаимному перемещению пластин ИС на ±λ/4. Измеренное текущее максимальное значение на интервале ±λ/4 каждого периода синусоиды выходного сигнала ИС запоминается в ЭВУ и используется в САУ положением ОУ.

В режиме фазовых измерений на одну из двухфазных обмоток ИС, не смещенную на четверть шага λ/4, подается синусоидальное напряжение возбуждения Датчики положения, а на другую из двухфазных обмоток, смещенную на λ/4, подается напряжение Датчики положения. При этом двухфазная обмотка создает бегущее магнитное поле в длинной однофазной обмотке, и в зависимости от взаимного расположения пластин выходное напряжение однофазной обмотки имеет неизменное амплитудное значение и изменяющийся фазовый сдвиг, пропорциональный углу поворота ротора ИС. Фактически с учетом диаграммы (рис. 6.2.4) измерить положение ИС в фазовом режиме можно в пределах ±180° относительно напряжению питания Датчики положения, что соответствует смещению ИС на ±λ/2. Для измерений в более широких пределах используются разные ЭВУ-считывания. Например, при ЭВУ двоичного кода удобно применять ИС с числом пар полюсов 64, 128 и 256; при десятичной системе ИС должны иметь 100—200 пар полюсов; имеются ИС с числом пар полюсов 180 и 360.

Достоинства индуктосинов: возможность печатного изготовления обмоток, что позволяет получить высокую точность ±(5÷10)». Основной недостаток ИС — очень слабая индуктивная связь обмоток даже при повышенной частоте питания воздушного трансформатора, например при воздушном зазоре 0,1 мм и напряжении 36 В (10 кГц) выходное напряжение ИС в режиме фазовращателя равно 3—5 мВ.

Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) (рис. 6.2.7, а) преобразуют угловое положение ротора α в амплитуду и фазу двух квадратурных выходных напряжений Датчики положенияи Датчики положения(рис. 6.2.7, в — верхняя часть).

СКВТ имеют такую же конструкцию, как ВТ (рис. 6.2.3, в), но в СКВТ в пазах статора и ротора размещено по две одинаковые обмотки, магнитные оси которых расположены под углом 90°, что позволяет при однофазном питании обмотки возбуждения получить два выходных напряжения, изменяющихся в функции синуса и косинуса от угла поворота ротора (рис. 6.2.7, а).

При разных схемах включения обмоток СКВТ могут работать в режимах синусно-косинусного трансформатора (рис. 6.2.7, а); фазовращателя (рис. 6.2.7, б), используемого в системах ЧПУ в качестве датчика положения; индикаторной системы дистанционной передачи угловых координат α=β (рис. 6.2.8, а); трансформаторной следящей системы α –β=