Невозможно представить область, где бы не применялись датчики положения и перемещения, являясь важным связующим звеном между электронной и механической частями приборов. Неудивительно, что многие инженеры-электронщики испытывают определённые трудности в выборе типа датчиков положения, оптимальных для конкретной задачи управления объектом. Попробуем им в этом помочь.
    Выбирая датчик, прежде всего, необходимо правильно определить приоритеты по следующим критериям:

• разрешение и точность;
• линейность;
• скорость измеряемого процесса;
• условия применения и класс защиты;
• надёжность;
• габаритные размеры;
• стоимость.

Теперь, расставив приоритеты, необходимо учесть, что датчик может определять абсолютное или относительное положение контролируемого объекта. Исходя из этого, существуют два основных метода определения положения и измерения перемещений.
    В первом методе датчик вырабатывает сигнал, являющийся функцией положения одной из его частей, связанных с подвижным объектом, а изменения этого сигнала отражают перемещение. Такие датчики положения называются абсолютными. К ним относятся:

• резистивные (потенциометрические) датчики;
  
• индуктивные датчики с подвижным сердечником;
  
• ёмкостные датчики с подвижными обкладками;
  
• цифровые кодовые датчики абсолютных значений.
  

Во втором методе датчик генерирует единичный импульс на каждом элементарном перемещении, а положение определяется подсчётом суммы импульсов в зависимости от направления перемещения. Такие датчики положения называются относительными. Достоинством таких датчиков, по сравнению с абсолютными, является простота и низкая стоимость, а недостатком — необходимость периодической калибровки и дальнейшей микропроцессорной обработки.
    Датчики также делятся на контактные и бесконтактные. В бесконтактных датчиках связь между подвижным объектом и датчиком осуществляется посредством магнитного, электромагнитного или электростатического полей, а также оптоэлектронным способом.

Резистивные (потенциометрические) датчики

Резистивные датчики основаны на простом принципе действия, что приводит к конструкциям умеренной стоимости; измеряемый сигнал может иметь достаточно высокий уровень и линейность и не требовать специальной электрической схемы обработки. Однако, такой датчик обладает внутренним трением, которое влияет на его точность, являясь источником шумов и причиной износа, что влечёт за собой ухудшение характеристик (линейности, точности) и устанавливает предел количества измерений, которое датчик может выдержать. Кроме этого, на его функционирование заметно влияет окружающая атмосфера (влажность, пыль, температура…). Средствами борьбы с этими дестабилизирующими факторами являются:

• использование новейших резистивных покрытий и компаундов заполнения на основе пластиков;
  
• применение фоторезистивных покрытий;
  
• использование магнитозависимых резисторов — для бесконтактного считывания положения;
  
• использование встроенных в резистор редукторов — для улучшения разрешения.
  

Из перечисленного выше ясно, что датчики подобного типа не могут отображать быстрые, повторяющиеся движения и применяться там, где есть сильные вибрации.
    Резистивные датчики подразделяются на однооборотные и многооборотные, с упором или без, проволочные и пластиковые.
    Производством широкой номенклатуры резистивных датчиков, выполненных по различным технологиям (проволочные, пластиковые, магниторезистивные и др.) для широкого спектра применений, занимается фирма Bourns (http://www.bourns.com/html/datasheets.htm). Лучшие образцы, производимые этой фирмой, имеют разрешение до 0,009% (от полного сопротивления), ресурс — до 25 миллионов оборотов и расширенный рабочий температурный диапазон.

Индуктивные датчики с подвижным сердечником (LVDT)

Принцип действия индуктивных датчиков основан на том, что в перемещение, которое предполагается измерить, вовлекается один из элементов магнитного контура, который вызывает тем самым изменение потока через измерительную обмотку и соответствующий электрический сигнал.
    Если подвижным элементом является ферромагнитный сердечник, то его перемещение проявляется:

• в изменении коэффициента самоиндукции катушки (переменная индуктивность);
  
• в изменении коэффициента связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора (дифференциальный трансформатор), что приводит к изменению вторичного напряжения.
  

В трансформаторе с переменной связью одна обмотка может вращаться относительно другой, закрепленной (одна из них играет роль источника, а другая — приёмника). Первичная обмотка образует индуктор, а вторичная обмотка с наведённым током даёт напряжение в функции угла вращения (индуктивный потенциометр, резольвер).
    Индуктивные датчики подключаются в цепь, питаемую источником синусоидального напряжения с частотой нескольких кГц и могут измерять непосредственно линейное или угловое перемещение.
    Датчики этого типа, с одной стороны, чувствительны к внешним электромагнитным полям, а с другой — способны сами их индуцировать. Поэтому необходимо их экранировать.
    Индуктивные датчики довольно дороги и сложны в обработке снимаемых сигналов, требуют запитки стабильным синусоидальным напряжением, но зато практически не зависят от атмосферных условий, пригодны к использованию в условиях чрезвычайно агрессивной среды, имеют высокое время наработки на отказ, дают очень высокую точность и линейность.

Практическим примером определения положения или перемещения (линейного или углового) в тяжелых индустриальных условиях и агрессивных средах при температуре -55…+150оС могут служить LVDT фирмы Lucas Schaevitz ( http://www.schaevitz.com/products/index.html) или Harowe http://www.apiharowe.com/Subpages/API-HAROWE.HTM). При этом надо понимать, что точность таких преобразователей можно увеличить в 4–6 раз, применяя специальные переключающие схемы включения, по сравнению с типовой схемой включения (“Высокоточные преобразователи угловых перемещений”, под ред. А.А. Ахметжанова. — Москва: “Энергоатомиздат”).
    Для облегчения обработки сигналов можно использовать стандартные специализированные микросхемы, подключаемые непосредственно к LVDT и имеющие на выходе параллельный двоичный код (11, 12, 13, 14 разрядов). Например, AD2S80A фирмы Analog Devices.

Ёмкостные датчики с подвижными обкладками

Ёмкостные датчики представляют собой плоский или цилиндрический конденсатор, одна из обкладок которого испытывает подвергаемое контролю перемещение, вызывая изменение ёмкости. Они замечательны своей простотой, что позволяет создавать прочные и надежные конструкции. Диэлектриком обычно служит воздух, так что параметры конденсатора зависят только от геометрических характеристик и не зависят от свойств используемых материалов. Если материалы правильно подобраны, то можно сделать пренебрежимо малым влияние температуры на изменения площади поверхности и расстояния между обкладками. С другой стороны, необходимо защищать датчик от тех факторов окружающей среды, которые могут ухудшить изоляцию между обкладками — от пыли, влажности, коррозии, ионизирующей радиации.

Цифровые кодовые датчики

Измерительную информацию, получаемую в аналоговом виде, часто можно обрабатывать с помощью цифровых схем, что создает дополнительные удобства. Это становиться возможным при использовании аналогово-цифровых преобразователей. В случае перемещений можно создать датчик, измеряющий положение — линейное или угловое — и выдающий его сразу в цифровой форме. Как и во всех приборах с цифровым преобразованием, информация оказывается квантованной и, следовательно, разрешение всегда конечно. Такие датчики могут надёжно передавать информацию об измеряемом положении по последовательному интерфейсу на достаточно большие расстояния от нескольких датчиков по одной линии связи.

Абсолютные цифровые датчики

Абсолютные цифровые датчики — это рейки для линейных перемещений или диски для угловых перемещений, разделённые на N равновеликих площадок (полос в случае рейки, секторов в случае диска), на которых записаны бинарные слова, соответствующие определённому положению. Поэтому при сбоях в работе, включении, прерывании питающих напряжений или предельной частоты работы прибора в распоряжении пользователя имеется точная позиция положения как двоичного бита. Чаще всего используют помехозащищенную двоичную Грей-кодировку, при которой за каждый шаг измерения изменяется лишь один знак кодовой информации и при этом легко контролируются ошибки передачи сигнала. Распространено также двоичное и двоично-десятичное кодирование. Имеются датчики с механическим и бесконтактным съёмом информации.

Инкрементальные цифровые датчики

Инкрементальные цифровые датчики отображают измеряемое положение количеством импульсов, которые затем подсчитываются микропроцессором с учетом направления перемещения по сдвигу фаз между двумя каналами. При использовании специальных микросхем можно удвоить или даже учетверить разрешающую способность. Такие датчики требуют время от времени калибровки по нулевому отсчёту и при сбоях. Имеются датчики с механическим и бесконтактным съёмом информации.
    Механические цифровые (абсолютные или инкрементальные) датчики — низкая цена, невысокая разрешающая способность (до 200 делений на 360о), небольшая продолжительность эксплуатации (до 106 циклов поворота у лучших образцов), ограниченная частота вращения, выходные сигналы должны быть пропущены через подавители дребезга.
    Бесконтактные цифровые (абсолютные или инкрементальные) датчики — на основе оптоэлектроники или магниторезистивного эффекта. Датчики этого типа менее всех подвержены дестабилизирующим факторам окружающей среды, имеют очень большую долговечность, очень высокую точность (до 104 делений на 360о для абсолютных и 128000 для инкрементальных) и относительно высокую стоимость. Их применение оправдывается там, где нужны точность и надёжность.

Практическим примером оптических датчиков может служить продукция компания British Encoder Products Co., которая производит оптические инкрементальные и абсолютные датчики положения с достаточно хорошим соотношением цена–качество. В их числе инкрементальные квадратурные и одиночные датчики с разрешением от 100 до 6000 рисок на оборот, а также абсолютные с 10–12 разрядами точности датчики “800-ой серии”. Они выпускаются в коммерческом и индустриальном исполнении с различными степенями защиты для автоматизации различных типов производства. Более подробную информацию можно получить на сайте http://www.brit-encoder.com/4/16/index.htm.

Таблица

* Возможность работы в режиме измерения частых, повторяющихся движений
малой амплитуды.

    Для автоматизации офисных и медицинских процессов, а также в лёгкой промышленности целесообразно применять оптические датчики от Hewlett-Packard (http://www.hp.com/HP-COMP/motion/) и датчик А22 от API-Portescap http://www.apiportescap.com/news/cod-a22-2.htm, причём он может поставляться отдельно, либо в составе двигателя постоянного тока.
    На основании изложенного составлена сводная таблица, облегчающая выбор оптимального типа датчика положения.

Отдел реализации импортных компонентов фирмы «МЭЙ»
Тел. (095) 913-5161, факс (095) 913-5160
E-mail: soa@may.ru