Датчики положения объекта

Назначение

Под термином «датчик» (его ещё называют сенсором) понимается электрический прибор, реагирующий на воздействие внешней среды и преобразующий его в электрический сигнал. Одна из разновидностей прибора – датчик положения (позиции), связывающий механическую и электронную часть оборудования.

Датчик положения предназначен для определения местоположения того или иного объекта вне зависимости от его физического состояния. То есть, наблюдаемым объектом может быть не только твёрдое тело, но и иная субстанция (например, жидкость).

С помощью данного сенсора решаются следующие задачи:

• отслеживание положения и перемещения (линейного и углового) компонентов машин и механизмов, сопровождаемое передачей данных;
• регулирование направляющих шкивов;
• осуществление обратной связи в робототехнике, АСУ и других системах;
• выполнение функций электропривода;
• определение расстояния между предметами.

Датчики позиции также широко используются в научно-исследовательских лабораториях при проведении испытаний.

Классификация и принцип действия

Датчики положения делятся на две большие группы: бесконтактные и контактные.

Контактные датчики

Работа этих приборов основана на изменении электрического сопротивления, когда меняется та или иная механическая величина, то есть, на трансформации физического перемещения в электросигнал. После того как измеряемая величина достигает определённой величины, включённые в цепь электрические контакты замыкаются либо размыкаются, сигнализируя о выходе объекта за пределы заданного значения.

Бесконтактные датчики

Эти приборы, называемые также сенсорными выключателями, срабатывают без контакта с движущимся предметом. Связь между сенсором и объектом происходит благодаря электромагнитному полю.

Индуктивные датчики, основные детали которого изготавливаются из латуни или полиамида, отличаются надёжностью конструкции и способностью противостоять высоким нагрузкам. Электромагнитное поле создаёт генератор, в то время как обработку данных и передачу электрического сигнала обеспечивают триггер Шмидта и усилитель, контролируемый светодиодным индикатором. Индуктивный прибор начинает функционировать после того, как включается генератор и возникает электромагнитное поле. Амплитуда колебаний генератора постоянно меняется под воздействием вихревых токов. Когда в область действия электромагнитного поля попадает перемещающийся в пространстве металлический объект, сигнал об этом поступает на управляющий блок, где происходит его обработка. Сила и характер сигнала зависят от габаритов объекта и дистанции, отделяющей его от датчика.

Ёмкостные датчики бывают одно- и двухъёмкостные. Они исполнены в стальном или пластиковом корпусе плоской или цилиндрической формы. Внутри корпуса находятся штыревые электроды, осуществляющие обратную связь с генератором, и конденсатор с диэлектрической прокладкой. При перемещении подвижной пластины конденсатора расстояние до неподвижной пластины увеличивается, а диэлектрическая прокладка деформируется, меняя диэлектрическую проницаемость. Приборы данного типа имеют высокую чувствительность и небольшую инерционность, они могут измерять линейные и угловые перемещения предметов, а также их размеры.

Оптические датчики представлены, главным образом, фотодатчиками, работающими в инфракрасной зоне. Они способны определять местоположение объектов, движущихся с большой скоростью, и имеют несколько разновидностей, среди которых:

1. Барьерные, выпускаются в двухблочном исполнении. Применяются для обнаружения предметов (барьеров), оказавшихся между установленными друг против друга передатчиком и приёмником. Радиус действия прибора достигает 100 метров.

2. Диффузионные с моноблочным корпусом. Работают по принципу зеркального отражения. Не требуют точной фокусировки, так как рассчитаны на работу с объектами, удалёнными от прибора не более чем на 2 метра.

3. Рефлекторные, совмещающие в себе передающее и принимающее устройство, а также поляризационный фильтр. Отражение луча происходит за счёт рефлектора. Радиус действия прибора достигает 8 метров.

Лазерные датчики отличает высокая точность измерений. Они способны улавливать малейшее движение предмета и определять его местоположение и размеры. Эти приборы имеют сравнительно небольшие размеры и потребляют незначительное количество энергии. При обнаружении инородного объекта включение сигнализации происходит мгновенно.

Работа прибора основана на принципе триангуляции, дающего высокую степень распознавания объекта. Лазерный луч, излучаемый приёмником, попадает на поверхность предмета, после чего отражается под конкретным углом. На значение угла влияет расстояние от передатчика до предмета обнаружения. После возвращения луча в принимающее устройство происходит считывание информации микроконтроллером, определение параметров объекта и места его местоположения. Самые точные данные, вплоть до формы постороннего объекта, дают приборы фазового типа.

Ультразвуковые датчики преобразуют электрический ток в ультразвуковые волны частотой от 20 до 60 кГц. Работа этих приборов базируется на тех же принципах, что и работа радара. То есть, они обнаруживают предмет по отражённым от него звуковым волнам. Поскольку скорость звука является постоянной величиной, ультразвуковой датчик вычисляет расстояние до попавшего в радиус действия предмета на основе диапазона времени, в течение которого сигнал вышел из передатчика и вернулся в приёмник.

Сфера применения

Датчики положения различных типов, регистрирующие линейное и угловое перемещение объектов, включая скорость их перемещения, применяются во многих отраслях, среди которых:

• машиностроение (металлообработка, сборочное и конвейерное производство);
• автотранспортная, специальная и сельскохозяйственная техника: в механических коробках переключения передач, системах управления движением (двигатель, рулевое управление, подвеска, гидравлика и т.д.);
• робототехника;
• радиотехника;
• автоматизированные системы управления (АСУ);
• медицинское оборудование;
• деревообрабатывающая промышленность;
• станки с ЧПУ;
• гидравлические и пневматические системы;
• системы слежения и охраны;
• управление светом (особенно в «умных» домах»);
• лабораторные исследования.

Данный перечень далеко не полный. Редко какое современное производство или технологический процесс обходится без датчиков различного назначения, в том числе датчиков положения. Главной задачей остаётся сделать правильный выбор в зависимости от решаемых задач.