4.4. Аналоговые датчики

Выходной сигнал датчика подается на вход обрабатывающего устройства, например на входной порт компьютера. Поскольку характеристики выходного сигнала датчика и последующего каскада довольно часто отличаются друг от друга, то для передачи сигнала .между ними должна использоваться некоторая согласующая цепь. Термин "согласующая цепь" (conditioning circuitry) является довольно общи.м и .может обозначать любой набор .электронных компонентов между измерительной головкой датчика и обрабатывающим устройством. Нельзя точно определить границу между электроникой измерительного преобразователя и последующи.ми согласующими цепями - каждый раз она .может трактоваться по-свое.му.

Большинство датчиков с преобразователем, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал. Как правило, при управлении из.меряются следующие физические величины:

- электрические и магнитные характеристики; лараметры движения;

ила, момент и давление; емпература;

уровень заполнения емкости;

- расход;

- плотность, вязкость и консистенция;

- концентрация (га.за, жидкости, растворенных и в.звешенных веществ);

- химическая или биохи.мическая активность.

Ниже представлен краткий обзор аналоговых датчиков, обычно используемых 5 системах управления. Измерение .электрических величин - тока, напряжения, сопротивления, .магнитного поля, излучения и мощности - краеугольный ка.мень измерительных технологий. Для большинства типов измерений серийно выпускаются измерительные головки, датчики, включающие согласующие цепи и даже интегрированные Устройства со встроенны.ми аиалогово-цифровы.ми преобразователями (раз-it.i5-3.2) и средства.ми передачи данных.

4* • Датчики движения

.1Пчи движения (motion sensors) из.меряют четыре кинематические величины: ермещение (изменение положения, расстояния, степени приближения, раз-

%0CTh (включая угловую);

угла поворота Кодирование обычно осуществляется на основе .модифицированного двоичного алгорит.ма, чтобы .мини.ми.зировать ошибки смещения фотоэлектрических датчиков относительно проре.зей в диске. Эта простая технология обеспечивает высокие разрешение (которое определяется число.м прорезей на градус углового смещения или на оборот диска) и точность, а также хорошую по.мехоустойчивость при передаче сигналов, поскольку не требует аиалого-цифрового преобразования.

- ускорение;

- удар.

Каждая из этих величин является производной по времени от предшествующей, Теоретически можно измерить только одну из них и затем получить остальные диф. ференцированием или интегрированием. На практике, однако, такой подход непрк-е.млем из-за природы сигнала (постоянный, переходный и т. д.), частотного спектра шумов и возможностей средств обработки данных.

Контроль параметров движения обязателен для приложений, в которых исполь-.зуется механическое оборудование - сервосистемы, роботы, электроприводы или другие манипуляторы. Измерение перемещений применяется при управлении положением клапанов. Толщина пластин в прокатном стане постоянно контролируется системой управления калибровкой. Датчики деформаций - это устройства, которые и.з.меряют механическое напряжение, давление и силу, но могут применяться и для и.змерения перемещений. В системах мониторинга состояния и предупреждения отказов механического оборудования широко используются акселерометры.

Для измерения параметров движения применяются следующие типы устройств:

- потенциометры для измерения перемещений; они работают как пере.менные резисторы;

- датчики на основе принципа электромагнитной индукции, например дифференциальные трансформаторы, резольверы, синхротрансформаторы (сельсины):

- емкостные датчики для измерения малых перемещений, вращений и уровней жидкости;

- пьезоэлектрические датчики для и.змерения давления, напряжения, ускорения, скорости, силы и момента (пьезоэлектрический материал деформируется пог действием приложенной разности потенциалов или вырабатывает разность потенциалов при механическом воздействии);

- лазерные датчики для точного измерения малых перемещений;

- ультразвуковые датчики для измерения расстояний в медицинских приборах, системах автофокусировки фото- и телекамер, измерения уровня и скорости,

Пример 4.2 Резольвер

Резольверы (resolver) применяются в приложениях, где требуется очень точное измерение угловых перемещений и скорости, например в сервосистемах и роботах. Выходной сигнал резольвера - это мера углового перемещения; дифференцирование этого сигнала дает угловую скорость. Резольвер работает на принципе и.змерения взаимоиндукции между двумя обмотками (рис. 4.11)-Ротор резольвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение v,.gj: Статор состоит из двух обмотоК, ра.звернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих об.мотках

»»2 = m/cose соотпетстпеппо, где в - угловое положение ротора.

6 о2 О

Рис. 4.11. Принцип работы резольвера

Можно сказать, что выходные напряжения и о,2 представляют собой напряжение о,.у, промодулироваиное величиной угла 9 . Исполь.зуя одно из выходных напряжений, можно однозначно измерить углы лишь в диапазоне 0-90°, оба сигнала позволяют однозначно измерять углы от 0° до 360°.

Выход резольвера есть тригонометрическая функция угла. Эта нелинейность, ОД1ИК0, не всегда является недостатком. Например, при управлении вращающи.ми .моментами в роботах требуются именно тригонометрические функции углов поворота. По.это.му выходной сигнал резольвера можно непосредственно использовать для управления без дополнительного преобразования в реально.м времени, которое увеличило бы загрузку управляющего компьютера.

Обычно резольвер дает хорошее разрешение и высокую точность. Он имеет высокий уровень выходного сигнала и низкий выходной импеданс. Полоса пропускания резольвера зависит от частоты источника напряжения. Пробле-.чы при работе резольвера могут возникать только из-за и1еток ротора (износ, дополнительные шу.мы и механические нагрузки). Резольверы поставляются в виде 1Н)лнофункциональиых автономных устройств.

Из.мерение линейных и угловых скоростей имеет фундаментальное значение для Приводов и робототехники. Интересным приложением систем и.змерения ускорений 1 сил является управление активной подвеской транспортных средств.