Введение.

В настоящее  время и в перспективе одной  из актуальных и технически сложных  задач является цифровое измерение  линейных перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи перемещений (ЦПП).

 В целом  к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляют совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований. К их числу относятся большая точность, значительное быстродействие, малые габаритные размеры и масса, низкое электропотребление, высокие устойчивость к эксплуатационным факторам и надежность, технологичность и низкая стоимость. Диапазон этих требований чрезвычайно широк, что создает серьезные препятствия на пути унификации цпп, являющейся организационно-технической задачей первостепенной важности.

Классификация первичных преобразователей. 

Первичным преобразователем (ПП) перемещения называется устройство, воспринимающее контролируемое входное  перемещение и преобразующее его в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработки, преобразования и, если необходимо, передачи по каналу связи на большие расстояния.

Существующие  первичные приемники линейных перемещений  могут классифицироваться по различным  признакам, основными из которых являются: физический принцип действия чувствительного элемент, структура построения, вид выходного сигнала.

По физическому  принципу действия чувствительного  элемента все существующие ПП можно  разделить на фотоэлектрические (оптоэлектронные), использующие эффект периодического изменения освещенности; электростатические: емкостные (основанные на эффекте периодического изменения емкости) и пьезоэлектрические (основанные на эффекте возникновения электрического заряда на поверхности некоторых материалов в момент деформации); электромагнитные (использующие, например, эффект периодического изменения индуктивности или взаимоиндуктивности); электроакустические (основанные, например, на эффекте изменения энергии поверхностной акустической волны); электромеханические: электроконтактные (основанные на эффекте резкого изменения сопротивления парных электроконтактов при их замыкании и размыкании), реостатные (использующие эффект линейного измерения сопротивления) и механотронные (основанные на механическом управлении электронным током электровакуумных приборов путем непосредственного механического перемещения их электродов). Принцип действия чувствительных элементов рассмотрим чуть позже.

По структуре  построения различают в зависимости  от способа соединения элементов ПП различают три основные структурные схемы: с последовательным преобразованием, дифференциальные и компенсационные.

Основными элементами ПП с последовательным преобразованием (рис.1, а) являются: воспринимающий орган или чувствительный элемент ЧЭ, измеряющий контролируемое перемещение Х и вырабатывающий сигнал у₁, пропорциональный этому перемещению; усилительно-преобразующее звено УПЗ, которое усиливает сигнал с ЧЭ, а в случае необходимости осуществляет ряд последовательных преобразований над этим сигналом; исполнительный орган или выходной преобразователь ВП, согласующий выходной сигнал ПП с входными параметрами последующего устройства.

Рис. 1

Схема достаточно проста и надежна, но обладает существенными  недостатками, а именно – наличием ничем не скомпенсированных погрешностей как мультипликативных (за счет нестабильности чувствительных узлов ПП), так и аддитивных (за счет возможных внешних возмущающих воздействий), и, следовательно, низкой точностью

На рис. 1, б  представлена структурная схема дифференциального ПП. Она включает в себя в общем случае две цепочки с последовательным преобразованием, каждая из которых содержит свой ЧЭ и УПЗ. Однако эти цепочки включены так, чтобы полезные сигналы в органе сравнения ОС по возможности суммировались, а мешающие воздействия вычитались. Таким образом, налицо определенная компенсация постоянных составляющих и ряда аддитивных погрешностей. Следовательно, дифференциальные ПП обладают более высокой точностью, большей линейностью характеристики управления и более высокой чувствительностью.

Компенсационные ПП построены на принципе автоматического  уравновешивания измеряемой величины компенсирующей величиной того же рода.

На рис. 1,в  представлена одна из структурных схем компенсационного ПП. Измеряемое перемещение Х поступает на ЧЭ, выходной сигнал которого после усиления и предварительного преобразования в УПЗ сравнивается с помощью органа сравнения ОС с компенсирующим сигналом у₅, поступающим из цепи обратной связи ЦОС. С выхода ОС разностный сигнал, равный у₃=у₂-у₅, подается на промежуточный преобразователь ПрП, который преобразует этот сигнал в форму, удобную для дальнейшего использования. Цепь обратной связи ЦОС является, как правило, так же преобразователем, приводящим сигнал у₄ к тому же физическому виду, что и компенсируемый сигнал у₂.

В коменсационных ПП происходит компенсация мультипликативных  погрешностей, связанных с нестабильностью  характеристик звеньев, охваченных отрицательной обратной связью. При  этом точность измерения в основном определяется стабильностью работы звена обратной связи, входного и выходного элементов схемы. На результат измерения слабое влияние оказывает и нелинейность характеристик управления элементов, охваченных обратной связью. Кроме того, компенсационные ПП обладают и другими положительными свойствами, присущими устройствам с отрацательной обратной связью, а именно – незначительным потреблением энергии на входе и образование выходного сигнала требуемой мощности. К недостаткам компенсационных ПП следует отнести более сложную схему и наличие аддитивных погрешностей.

По характеру  изменения во времени выходного  сигнала различают ПП непрерывного и дискретного действия.

В зависимости  от вида параметра выходного сигнала, находящегося в линейной зависимости от измеряемого перемещения, ПП непрерывного действия разделяются на амплитудные, частотные и фазовые. Соответственно ПП дискретного действия могут быть амплитудно-импульсными, частотно-импульсными, время-импульсными, число-импульсными, кодоимпульсными и др.

Необходимо отметить также, что все ПП дискретного типа (импульсные) по сравнению с аналоговыми (и в частности, с амплитудными) обладают возможностью наиболее простого преобразования в цифровую форму своих выходных сигналов. При этом особенно следует выделить времяимпульсные, числоимпульсные и кодоимпульсные ПП.

Все цифровые преобразователи  перемещений (ЦПП) можно разделить  на три основные группы: с непосредственным преобразование линейного перемещения  в код, с косвенным преобразование и с комбинированным преобразованием.

В ЦПП первой группы операции преобразования подвергается само механическое перемещение. В преобразователях второй группы измеряемое перемещение  сначала представляется в виде удобного аналогового параметра, а затем  преобразуется в цифровой эквивалент. Третья группа – это сочетание первых двух.

Наиболее часто  используются ЦПП с промежуточным  преобразованием в аналоговый параметр, т. е. преобразователи типа перемещение-параметр-код, которые обладают линейной характеристикой  управления, высокой разрешающей способностью, достаточным быстродействием и надежностью. Основными перспективными промежуточными параметрами в этих ЦПП являются фаза и амплитуда переменного напряжения. Высокая помехоустойчивость фазового параметра является положительным фактором при значительном удалении первичного преобразователя на контролируемом объекте от отсчетной части. Кроме того, фазовые измерительные системы в настоящее время обладают наиболее высокой точностью.

К достоинствам ЦПП с промежуточным преобразованием  в фазовый сдвиг относятся: простота осуществления многоканального преобразования и соединения первичного преобразователя перемещений с электронной схемой; высокий уровень унификации и технологичности.

В практике построения ЦПП фазового типа большое значение имеет второй этап преобразования параметр-код, который в значительной степени влияет на точность всего преобразования ЦПП в целом. Т.е. необходимо тщательно подбирать параметры аналого-цифрового преобразователя. 
 
 
 
 

Схема 1. Классификация ПП.

УСТРОЙСТВО ПЕРВИЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

Фотоэлектрические первичные преобразователи.

Наиболее простым  и надежным является ФПП с перекрытием  светового потока посредством заслонки, шторки или флажка. Схема одного из вариантов построения представлена на рис. 2.

Рис. 2

Шток 4, связанный  одним концом с объектом, линейное перемещение Х которого необходимо измерить, имеет на другом конце заслонку 3. Перемещение заслонки 3 перекрывает отверстие диафрагмы 2, в результате чего изменяется величина светового потока, идущего от источника излучения ИИ с линзой 1 к объективу 5 и фотоприемнику ФП и далее на усилитель У. Таким образом, на выходе датчика имеем сигнал, амплитуда которого пропорциональна перемещению Х.

  Реостатные преобразователи.

Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функций преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).

Проволока для  обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Рис. 3

Щетка преобразователя  выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы. Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которой выбирается в широких пределах от  десятых долей грамма до сотых граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя  определяются значением измеряемого  перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.

Для получения  нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции  преобразования очень часто достигается  профилированием каркаса преобразователя .

В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимости изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значении сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом у = ΔR/R, где ΔR—максимальное сопротивление одного витка R — полное сопротивление преобразователя.

Иногда применяются  реохордные преобразователи, в которых  щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях отсутствует указанная выше погрешность.

Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивление  — измеряется обычно с помощью  мостовой схемы.

К достоинствам преобразователей относится возможность  получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.

Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений.

Электромагнитные  первичные преобразователи.

Электромагнитные  первичные преобразователи ЭПП  перемещений можно разделить  по физическому принципу действия чувствительного  элемента на две основные группы: индуктивные  и трансформаторные.

ЭПП, преобразующие  значения линейных перемещений Х  в значения индуктивности, называются  индуктивными преобразователями ИП.

Простейший ИП состоит из магнитопровода 2 с обмоткой и якоря 1, связанного с перемещающимся объектом (рис. 4, а).

При перемещении якоря в направлении Х изменяется воздушный зазор δ, следовательно, меняется сопротивление магнитной цепи, что приводит к изменению индуктивности L цепи по гиперболическому закону и нелинейности характеристики:

, где  - магнитная проницаемость воздушного зазора, W – число витков обмотки; S – площадь поперечного сечения магнитопровода. При этом линейный участок составляет обычно (0,1- 0,15)δ, а диапазон перемещений – от нескольких микрометров до нескольких миллиметров

.

Рис. 4 а)                                                       Рис 4. б)

    Перемещение якоря в направлении z (рис. 4, а) изменяет площадь зазора ИП. Для таких ИП характерна линейная зависимость индуктивности от перемещения. Диапазон измеряемых перемещений увеличивается до нескольких сантиметров и даже десятков сантиметров для схем с использованием соленоидов.

    Погрешность индуктивных преобразователей составляет 0,1—1,5 %. При этом точность ИП можно  несколько повысить, применяя мостовые и дифференциальные схемы включения. На рис. 4, б показана мостовая схема ИП, в которой в одно из плеч моста включен ИП, а в противоположное плечо — переменная емкость С, шунтированная сопротивлением R₀. Перемещение якоря по Х (или по Z) приводит к изменению индуктивности и разбалансу моста. Соответственно будет изменяться выходное напряжение в диагонали моста пропорционально перемещению якоря.

    Электромагнитные  преобразователи, основанные на изменении  взаимной индукции между двумя системами  обмоток, называются трансформаторными или, более строго, взаимоиндуктивными.

    Конструктивно трансформаторный преобразователь (ТП) можно получить из индуктивного путем  применения двух обмоток (см. рис. 4, а), вторая обмотка обозначена штриховой  линией. Пои этом величина взаимоиндукции М определяется выражением:

    M=W₁W₂/Z_M,

где W₁, W2 — соответственно число витков первой и второй обмоток; Z_м — полное магнитное сопротивление.

Отсюда  следует, что, изменяя полное магнитное  сопротивление Z_M путем перемещения якоря (рис. 4, а) либо взаимную ориентацию обмоток и W₂ относительно друг друга, можно менять взаимную индуктивность. В первом случае структура построения ТП аналогична ИП, отличие заключается в наличии второй обмотки. Во втором случае одна из обмоток делается подвижной. Для повышения точности TП, как и в случае ИП, применяют мостовые и дифференциальные схемы включения. В частности, использование принципов развертывающего уравновешивания совместно с дифференциальной схемой включения ТП позволяет существенно повысить стабильность и линейность преобразования.

Так же к магнитоэлектрическим ПП можно  отнести магнитострикционные ПП, основанные на явлении, заключающемся  в том, что при изменении состояния  намагниченности тела его объем  и линейные размеры изменяются.

Емкостные преобразователи.

Емкостные преобразователи  основаны на зависимости электрической  емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости  среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая  емкость

где ео—диэлектрическая постоянная; в — относительная  диэлектрическая проницаемость  среды между обкладками; в—активная площадь обкладок; 5— расстояние между обкладками.

Из выражения  для емкости видно, что преобразователь  может быть построен с использованием зависимостей С =f1(µ), С =f2(s), С=f3(ґ).

На рис. 5 схематически показано устройство различных емкостные  преобразователей. Преобразователи  на рис. 5, а представляют собой конденсатор, одна пластина которого перемещается под действием измеряемой величины х относительно неподвижной пластины. Изменение расстояния между пластинами 5 ведет к изменению емкости преобразователя.

Функция преобразования С = f3(ґ) нелинейная. Чувствительность преобразователя резко возрастает с уменьшением расстояния ґ, поэтому целесообразно уменьшать начальное расстояние между пластинами. При выборе начального расстояния между пластинами необходимо учитывать пробивное напряжение воздуха (10 кВ/см для воздуха).

Рис. 5. Емкостные преобразователи с изменяющимся расстоянием между пластинами (а), дифференциальный (б), дифференциальный с переменной активной площадью пластин (б) и с изменяющейся диэлектрической проницаемостью среды между пластинами (г)

Такие преобразователи  используются для измерения малых  перемещений (менее 1 мм).

Малое рабочее  перемещение пластин приводит к  появлению погрешности от изменения  расстояния между пластинами при  колебаниях температуры. Соответствующим выбором размеров деталей преобразователя и материалов эту погрешность можно значительно снизить.

В емкостных  преобразователях возникает усилие притяжения между пластинами, определяемое производной от энергии электрического поля и^ по пепемешению подвижной пластины.

где U и С — соответственно напряжение и емкость между пластинами.

Применяются дифферинциальные преобразователи (рис. 5, б), у которых имеется одна подвижная и две неподвижные пластины, При воздействии измеряемой величины х у этих преобразователей одновременно изменяются емкости С1 и С2.

На рис. 5, в показано устройство дифференциального емкостного преобразователя с переменной активной площадью пластин. Такой преобразователь целесообразно использовать для измерения сравнительно больших линейных (более 1 мм) и угловых перемещений. В этих преобразователях легко получить требуемый характер функции преобразования путем профилирования пластин.

Для измерения  выходного параметра емкостных  преобразователей применяются равновесные  и неравновесные мостовые схемы  и схемы с использованием резонансных  контуров. Последние позволяют создавать  приборы с высокой чувствительностью, способные реагировать на перемещения порядка 10"' мм.

Цепи с емкостными преобразователями обычно питаются током повышенной частоты (до десятков мегагерц), что вызвано желанием увеличить мощность, рассеиваемую в  преобразователе: P=UІwC (а следовательно, и мощность, попадающую в измерительный прибор), и необходимостью уменьшить шунтирующее действие сопротивления изоляции.

Достоинства емкостных  преобразователей — простота устройства, высокая чувствительность и возможность  получения малой инерционности  преобразователя.

Недостатки — влияние внешних электрических полей, паразитных емкостей, температуры, влажности, относительная сложность схем включения и необходимость в специальных источниках питания повышенной частоты.

ОБЗОР СОСТОЯНИЯ РЫНКА.

Производитель Baluff

Магнитные линейные энкодеры Balluff BML-S1A

Описание:

Высокоточная  магнитная инкрементальная система Balluff BML-S1A состоит из сенсорной магнитной  головки и магнитной ленты. Основа инкрементальной системы- неподвижная  магнитная лента в которой  находятся поля с постоянно чередующимися  полюсами. Расстоянием между периодическими магнитными полюсами, прежде всего, и определяется разрешение системы и точность. Движущийся над магнитной лентой датчик считывает информацию в соответствии с периодом и вырабатывает на выходе информацию о перемещении: стандартные прямоугольные или аналоговые синусоидальные импульсы.

Магнитные инкрементальные энкодеры Balluff BML-S1A используют бесконтактный способ считывания. Магнитная головка движется с  зазором 0.01.. 0.35 мм от ленты и не соприкасается с ней. Линейный инкрементальный энкодер Balluff BML-S1A достигает разрешения до 1 мкм, а максимальная скорость перемещения 20 м/с. Точность системы составляет 10 мкм. Поскольку принцип измерения магнитный, то, в отличии от оптических систем измерения перемещения, линейные энкодеры Balluff нечувствительны к внешним воздействиям, таким как: различные масла, пыль и др. Благодаря этому, магнитные линейные энкодеры Balluff находят свое применение в деревообрабатывающей и машиностроительной отраслях промышленности.

Индуктивные датчики линейных перемещений Balluff Micropulse BIW с аналоговым выходом

Описание: Линейные потенциометры уже долгое время используются для измерения линейных перемещений на производстве. Однако, не смотря на невысокую стоимость, они имеют серьезный недостаток- малый срок эксплуатации, в следствии механического износа контакта. Бесконтактные датчики линейных перемещений обладают более высокой надежностью, сроком эксплуатации, точностью, но при этом высокая цена и несовместимость корпусов с линейными потенциометрами накладывали ограничения на их использование. Новые датчики линейного перемещения Balluff BIW1 лишены недостатков, которыми обладают потенциометрические датчики линейных перемещений. 

          Новый датчик Micropulse BIW использует запатентованную импульсно- индуктивную технологию, которая обеспечивает датчику перемещения Balluff высокую эффективность, долгий срок службы, механическую совместимость с линейными потенциометрами и низкую стоимость. Электроника заключена в прочный алюминиевый корпус. Стандартные аналоговые выходные сигналы: 0.. +10 V; -10.. +10 V; 0.. 20 mA; 4.. 20 mA и высокое разрешение.

  Все это  позволяет использовать датчики  линейных перемещений Balluff Micropulse BIW в термопластавтоматах, упаковочной  промышленности, задачах в гидравлике и пневматике, вместо аналоговых линейных потенциометров.

Магнито-индуктивные датчики линейных перемещений Balluff BIL с аналоговым выходом

Описание: Магнито-индуктивные датчики линейных перемещений Balluff SmartSens BIL прекрасно подойдут для измерения перемещений в диапазоне до 160мм. Положение определяется пассивным позиционным магнитом. Balluff BIL имеют на выходе линейный аналоговый выходной сигнал (0.. 10 В или 4.. 20 мА) пропорциональный пройденному пути в диапазоне измерения. Магнитоиндуктивные датчики линейных перемещений Balluff BIL имеют очень компактный корпус и легко монтируются. Для компактных пневмоцилиндров Balluff предлагает датчики Micro-BIL, измерительный сенсор легко монтируется в T-слот цилиндра. Плюсы датчиков линейных перемещений Balluff BIL: бесконтактное определение положения объекта; нечувствительность к загрязнениям; отсутствие механического износа; нечувствительность к ударам и вибрации; абсолютный выходной сигн ал.

Магнитострикционные датчики линейных перемещений Balluff Micropulse в профильном корпусе P с цифровым выходом.