Схема для измерение линейных перемещений

Измерение угловых или линейных перемещений с помощью оптического датчика мыши

PixArt PAN3101 PAN101B OM02

В этой схеме микросхема сенсора от компьютерной мыши используется для измерения вращения диска, который может быть механически связан с любым типом оборудования или приборов. Одной из особенностей схемы является возможность выполнения подстройки соотношения числа импульсов на оборот изменением позиции сенсора вдоль радиуса диска.

Оптический датчик мыши представляет собой КМОП микросхему, предназначенную для построения оптико-электронных следящих систем. Внутри микросхемы изображения захватываются, оцифровываются и обрабатываются в цифровом виде.

Для примера рассмотрим простой и дешевый сенсор OM2. Это устройство измеряет позицию, основываясь на полученных кадрах изображения поверхности, и путем математической обработки определяет направление перемещения и его величину. Разработанный для использования со светодиодом повышенной яркости датчик помещен в полистирольный оптический корпус. Датчик не имеет подвижных частей, не требует точной оптической подстройки и позволяет создать законченную, компактную следящую систему. OM02 вырабатывает квадратурный выходной сигнал для обоих направлений перемещения (X и Y). Разрешающая способность составляет примерно 0.06 мм, а скорость перемещения может достигать 0.4 м/с.

Микросхема датчика формирует квадратурный сигнал по направлению X, эмулирующий выход обычного энкодера. Для двухмерной системы могут быть использованы обе координаты X и Y. X1 и X2 генерируются с максимальной частотой около 25 кГц. Диаграммы на Рисунке 1 иллюстрируют временные характеристики для оси координат X (направление движения — вправо). При необходимости квадратурный выходной сигнал может быть использован для непосредственного управления шаговым мотором.

Рисунок 1.

Схема включения датчика OM02 приведена на Рисунке 2. Согласно документации на микросхему, допускается использование ее внутреннего тактового генератора. В этом случае конденсатор Сosc может не потребоваться. Rosc определяет частоту кадров: меньшим значениям сопротивления соответствуют более высокие частоты.

Рисунок 2.

Подключив выходы X1 и X2 к входу логического элемента исключающее «ИЛИ», можно удвоить выходную частоту данных, при этом потеряв информацию о направлении перемещения.

Физическая реализация

Используемый диск (или другая поверхность) должен иметь некоторую текстуру, узор, царапины или грубую шлифовку для того, чтобы получить хорошие результаты оптического распознавания элементов поверхности (Рисунок 3).

Рисунок 3.

Конструкция, показанная на Рисунке 4, успешно использовалась для обеспечения синхронного движения в составе технологических линий, транспортеров, этикетировочного оборудования и печати на движущихся объектах. Было изготовлено более 100 экземпляров, все они работают спустя несколько лет.

Рисунок 4.

Принципиальные схемы для интерфейса SPI

Доступны также и другие микросхемы оптических сенсоров, различающихся используемыми типами источников света, интерфейсами, скоростями и так далее. Например, в оптическом КМОП датчике мыши PAN3101 (Рисунок 5) используется последовательный интерфейс SPI, а оптический навигационный КМОП датчик PAN101B (Рисунок 6) имеет оба типа выходов, как SPI, так и квадратурный.

Рисунок 5.

Датчики с интерфейсами SPI (или USB при использовании дополнительной микросхемы) не позволяют отслеживать каждый отдельный импульс, поскольку передают данные пакетами. Для приложений, работающих в жестком реальном времени, предпочтительнее датчики с квадратурным выходом.

Рисунок 6.

Было бы также интересно построить энкодер на базе беспроводной компьютерной мыши, и, возможно, еще интереснее, на основе датчика от цифрового штангенциркуля, так как большинство из них имеют интерфейс I 2 C. Но это уже другая история.

Материалы по теме

Перевод: Анатолий Бесплеменнов по заказу РадиоЛоцман

Источник

Применение датчика ИСД-5 для измерения линейного перемещения

В статье описывается применение нашего датчика скорости и длины ИСД-5 в качестве датчика линейного перемещения.

Первичным измеряемым параметром является скорость объекта

• Линейное перемещение вычисляется как сумма ΔSi = ΔVi*Δti , при этом время между измерениями Δt =30 мс (при частоте измерений 33 Гц), т.е. значение скорости (и пути) обновляется каждые 30 мс.
• Частоту измерений значительно увеличить не удается, поскольку из общих принципов для точного измерения требуется некоторое время (его можно сократить, но соответственно ухудшится точность единичного измерения).

Промышленные применения: например необходимо контролировать линейное перемещение какого либо механического объекта относительно поверхности. Все вычисления линейного перемещения должны производиться относительно базовой точки контроллером без ОС, с жестким алгоритмом реального времени. При этом наиболее точным является перевод данных длины в непрерывную последовательность импульсов, частота которых жестко привязана к текущей измеренной скорости и эта частота обновляется каждые 30 мс.

Например, в контроллере выставлено, что скорости 1 м/с соответствует 1000 Гц импульсного выхода. За 1 с объект пройдет 1 м, соответственно, на каждый импульс приходится 1 мм перемещения. При 2 м/с выходная частота 2000 Гц и на каждый импульс опять приходится 1 мм. Т.е. для любой измеренной скорости выходная частота изменяется так, что всегда 1 имп = 1 мм. Это поясняется рис.1:

Рис.1. Изменение частоты импульсного сигнала (меандр) от измеренной скорости. Частота изменяется после очередного измерения скорости, но по достижении целого числа периодов предыдущего измерения, поэтому нет никаких скачков (дополнительных импульсов) при изменении частоты.
Здесь красная линия – реальная скорость, черные – измеренная скорость за предыдущие 30 мс.

Оценка погрешности измерений линейного перемещения из-за дискретности измерения скорости:
При переменной скорости ее нужно измерять чем чаще, тем лучше. Оценим, какая частота измерений достаточна (дальнейшее увеличение не приводит к увеличению точности отреза) исходя из критерия максимально физически возможного ускорения объекта. Пусть это будет 10 м/с2 (см. рис.2) Тогда за время 30 мс объект увеличит скорость на V=at = 0,3 м/с. Пусть при постоянной скорости 10 м/с мы измеряем перемещение за 2 измерения (за 0,06 с) при выставленном коэффициенте 1000 Гц/м/с. Получим 10000 имп/с *0,06с = 600 мм или по 300 мм на измерение. При ускорении объекта 10 м/с2 получим скорости, например, 9,7 и 10,3 м/с, соответственно частоты 9700 и 10300 Гц и число импульсов 291 + 309 = те же 600 мм. и переместится на S = at2/2 = 4,5 мм.

Рис.2. Перемещение объекта с постоянным ускорением 10 м/с2 и с переменным (пунктирные линии скорости).

То есть, при движении объекта с постоянным ускорением результат измерения линейного перемещения также не зависит от частоты измерения. Разумеется, при переменных ускорениях могут быть эффекты второго порядка нелинейности, например, при нарастании ускорения измеренное линейное перемещение немного занижается, а при нарастании замедления – завышается. Но, поскольку скорость перемещения колеблется относительно некоторой заданной для процесса, эти эффекты взаимно компенсируются, тем более на перемещениях в десятки метров. Практика показала, что частоты измерения 35 Гц (как сейчас) достаточно для практически всех применений (если не рассматривать импульсные процессы (ударные, с большими ускорениями и малыми временами)).

Таким образом, импульсный выход позволяет измерить линейное перемещение с практически любым разрешением (можно выставить и 0,1 мм/имп).
Как показывает практика работы с нашими датчиками ускорения движущихся объектов на которых они устанавливаются допустимо до 5 м/с2 в пределах паспортных данных по линейному перемещению.

Источник

Датчики линейного перемещения – основные нюансы

Классификация приборов

Датчики линейного перемещения имеют несколько классификационных уровней, но основным является принцип действия, который определяет функциональное назначение и область использования приборов.

По принципу действия приборы контроля и измерения перемещений можно разделить на:

1. Емкостные.
2. Оптические (оптоэлектронные).
3. Индукционные.
4. Датчики магнитострикционного типа.
5. Ультразвуковые.
6. Резистивные, магниторезистивные и потенциометрические.
7. Приборы, использующие в своей работе эффект Холла в быту, практически не используются.

Область применения датчиков

Любой датчик движения, вне зависимости принципа действия, предназначен для преобразования линейного перемещения в цифровой или аналоговый сигнал, который затем поступает к электронному блоку измерения или срабатывания. От принципа действия зависит точность измерения.

Часто нет необходимости в замере конкретной величины перемещения. Например, в охранных системах достаточно просто определить наличие перемещения в зоне контроля. Эти приборы получили название датчиков движения. От них не требуется высокая точность замера величины. Поэтому дешевые емкостные, оптические или индукционные устройства здесь наиболее распространены.

В промышленно-производственных системах автоматического управления требуется измерения величины перемещения. Причем измерение (например, в станках с числовым программным управлением) должно быть проведено с высокой точность и осуществляется или непрерывно, или дискретно – через определенные промежутки времени. В этом случае наибольшее распространение получили магнитострикционные приборы.

Емкостные датчики

Простейший емкостный датчик по своей конструкции напоминает конденсатор. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

1. Изменения величины зазора между пластинами.
2. Изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия.
3. Изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, а может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Наибольшее распространения емкостные устройства контроля перемещения нашли:

1. В качестве источника сигнала в системах контроля заполнения резервуаров жидким или порошкообразным продуктом.
2. Как прибор, контролирующий начало – окончание рабочего хода исполнительного органа робототехнических систем и автоматических станков и линий.
3. Для позиционирования различных объектов.
4. Как обычный конечный бесконтактный выключатель.
5. В системах контроля и охранной сигнализации как «датчик присутствия».

Благодаря своей невысокой стоимости и надежности, емкостные устройства нашли самое широкое распространения в отдельных системах комплекса жизнеобеспечения «умный дом».

К их достоинствам, по сравнению с устройствами, использующими другой принцип действия, можно отнести:

1. Упрощенную технологию массового производства, с использованием недорогих, широко распространенных материалов.
2. Высокую чувствительность при малом энергопотреблении.
3. Компактные размеры и незначительный вес.
4. Долговечность, простоту и надёжность эксплуатации.
5. Простоту адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение в высокоточных системах управления, являются:

1. Относительно низкий коэффициент преобразования.
2. Необходимость тщательной экранировки элементов датчика.
3. Повышение точности работы прибора на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50,0 герц.
4. Высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий (снег, дождь) что требует повышенной защиты источника сигнала.

Индукционные датчики

Сигнал в индукционных датчиках формируется за счет изменения индуктивности катушки. Приборы этого типа отличаются высокой точностью, при незначительных габаритах. Индукционные приборы контроля способны проводить измерения дистанционно, а по типу их подразделяют на простые и дифференциальные.

Одно из конструктивных исполнений этих устройств представляет собой трансформатор, сердечник которого имеет возможность передвигаться. При перемещении сердечника индуктивность катушки меняется и это изменение является сигналом. Значение индуктивности изменяется пропорционально уровня перемещения сердечника.

Если контроль перемещения осуществляется в отношении ферримагнитных объектов, то сердечник не требуется. Деталь, попадая в поле электромагнитного излучения катушки, меняет ее индуктивность и формирует управляющий сигнал.

Контролирующие датчики индукционного типа нашли широкое применение в станках с программным управлением, бесконтактных системах охраны и для фактического измерения перемещения, с отчетом его значения по цифровой шкале или с выводом информации на экран жидкокристаллического дисплея.

Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений

Набольшее распространение для контроля движения и измерения расстояния получили оптические триангуляторы, являющиеся по своей сути обычным оптическим (лазерным) дальномером. Для контроля малых изменений линейных величин применяются приборы с поляризационной решеткой. Кроме того, оптические датчики широко используются в системах охраны в качестве «лучевого барьера».

К достоинствам этой категории приборов можно отнести:

1. Реализацию бесконтактного контроля.
2. Высокую точность.
3. Практически мгновенно формирование управляющего сигнала (отсутствие времени задержки срабатывания).

Недостатками высокоточных оптических датчиков считаются:

1. Значительная стоимость.
2. Критичность к условиям окружающей среды.

Производители различного типа приборов

Крупнейшим российским производителем приборов для контроля перемещений является компания «ЭЛТЕХ» (Санкт-Петербург), специализирующая на устройства для контроля и измерения величины линейного перемещения индуктивного, резистивного и емкостного типа.

Линейные потенциометры модельных линий «Longfellow-2» и «DuraStar» обеспечивает измерение величины перемещения в пределах до 610,0 миллиметров с точностью 0,5%. Стоимость приборов зависит от измеряемого диапазона (модели) и объема поставки и оговаривается при заказе.

В последнее время большой популярностью пользуется недорогие, но достаточно точные приборы китайского производства.

Наиболее распространены следующие модели:

1. «DEPP EP15-series» – приборы индукционного типа, применяемые в станках и системах автоматического контроля;
2. Оптическое устройство «HENGXIA K100-series» позволяет контролировать размеры в диапазоне 50,0…7200,0 миллиметров;
3. Линейный энкодер «Roundss Rlc50d» по сути является электронной рулеткой, позволяющей с высокой точностью замерять размеры и контролировать пройденный путь.

Стоимость китайской продукции зависит от курсовой стоимости рубля и уточняется при заказе.

Прибор контроля перемещения своими руками

Прибор для измерения величины перемещения изготовить самостоятельно практически невозможно. Однако радиолюбители достаточно часто собирают из вышедшей из строя радио и электронной аппаратуры датчики движения, которые с успехом используются в системах безопасности и жизнеобеспечения.

Например, датчик можно использовать для включения света в туалете, когда в помещение санузла заходит человек. Не менее популярны подобные устройства для включения-отключения освещения в жилых помещениях.

И конечно эти приборы незаменимы при формировании собственной системы безопасности, где они фиксируют любую попытку (неважно человек это или животное) несанкционированного проникновения на территорию защищаемого объекта (садового участка, балкона, гаража). Изготовление самодельного датчика движения рассмотрим на примере сборки оптоэлектронного устройства, контролирующего пересечение охраняемого периметра.

Из деталей для изготовления самого прибора потребуются:

1. Блок питания от мобильного телефона с напряжением на входе 5,0 вольт.
2. Фотоэлемент – лучше фоторезистор.
3. Биполярный транзистор с «p-n-p» – переходом.
4. Построечный потенциометр (сопротивление) с диапазоном регулировки 0…10,0 килоом.
5. Электромагнитное реле, срабатывавшее при напряжении 5,0 вольт.
6. В качестве источника излучения идеально подойдет лазерная указка, дающая тонкий, узконаправленный луч.

Порядок соединения схемы следующий:

1. Катод фотоэлемента припаивается к плюсовому проводнику блока питания – эта точка будет является общим (массовым) проводником.
2. К аноду фотоэлемента присоединяется просторечный потенциометр, при выведении его движка в среднее положение.
3. Свободный контакт потенциометра припаивается к отрицательному проводнику блока питания, а контакт от его движка к базе транзистора.
4. Эмиттер транзистора включается подсоединяется к общему «плюсу» схемы, а коллектор соединяется с одним из контактов реле.
5. Второй контакт реле припаивается к отрицательному проводу блока питания.

При освещении окошка фотоэлемента лазерной указкой, поворотом движка потенциометра добиваются надежного срабатывания реле. К коммутационным контактам реле можно подключить любой источник сигнала – ревун, лампу накаливания, светодиодный индикатор. Недостатком данного устройства является то, что оно срабатывает только при пересечении луча света.

То есть в режиме ожидания все его элементы функционируют. При различных способах коммутации контактов реле можно добиться включения света при первом пересечении луча и его отключении при повторном.

Источник

Измерение перемещений

В современном промышленном производстве широко применяются измерения размеров, перемещений и деформаций. Для этой цели используются измерительные преобразователи перемещений, которые по диапазону входных величин делятся на преобразователи малых перемещений (до 2-3 мм для линейных и 2-3° для угловых перемещений) и преобразователи больших перемещений (до нескольких метров для линейных и 25-40 оборотов для уг­ловых перемещений). Роль преобразователей перемещений в промышленных измерениях велика также и потому, что при измерениях многих механических величин, таких как сила, давление, момент, сначала осуществляется их пре­образование в перемещение, а затем перемещения в электрическую величину.

Для измерений перемещений находят применение различные типы измерительных преобразователей: реостатные, тензочувствительные, индуктивные, емкостные и преобразователи излучений. Выбор типа преобразователя и конкретной его разновидности определяется рядом факторов: диапазоном измеряемых перемещений, необходимой точностью измерений, допустимой продолжительностью измерений, практической возможностью использования контактного датчика той или иной конструкции, требованиями к виброустойчивости, надежности и т. п.

Большинство применяемых на практике преобразователей и приборов для измерения перемещений относится к аналоговым. Однако имеются и цифровые преобразовате­ли — кодирующие линейки и диски. Существуют и специ­ализированные ИИС, в состав которых входят средства измерений перемещений.

Измерение деформаций. При измерениях деформаций в качестве первичных измерительных преобразователей чаще всего используются тензорезисторы. Проволочные, фольговые и пленочные тензорезисторы применяются для измерений относительных деформаций

х

При использовании частотной гармонической модуляции обмотка ин­дуктивного датчика включается в частотно-задающую цепь автогенератора. Недостатком таких схем является нелинейная зависимость частоты генерации от индуктивности обмотки датчика. От этого недостатка свободны схемы, в которых осуществляется импульсная модуляция.

исунок 16.20 — Схема включения дифференциального индуктивного датчика

В качестве примера на рисунке 16.21а приведена упрощенная схема преобразователя индуктивности датчика в период повторения импульсов, реализующая метод развертывающего преобразования. Работа схемы иллюстрируется с помощью временных диаграмм (рисунок 16.21б).

Операционный усилитель А с большим коэффициентом усиления выполняет функции схемы сравнения и находится в состоянии насыщения. Значение напряжения на его выходе u_вых (t) по модулю равно значению напряжения насыщения Е и может изменять знак в зависимости от соотношения напряжений на входах усилителя. Напряжение u₂ (t) на неинвертирующем входе усилителя снимается с делителя, выполненного на резисторах R₂, R₃, а его значе­ние равно u₂=kE, где k=R₃/(R₂+R₃). Напряжение u₁(t) на инвертирующем входе усилителя является выходным на­пряжением пассивной интегрирующей цепочки, образованной катушкой индуктивности L и резистором R₁. Напряжение u₁(t) изменяется по экспоненте с постоянной времени L/R₁, стремясь к значению напряжения насыщения Е. В момент времени Т/2, когда u₁ (Т/2)=u₂, схема сравнения переходит в противоположное состояние, т. е. напряжение u_вых меняет знак. Далее процесс циклически повторяется. Выходное напряжение представляет собой периодическую последовательность двухполярных прямоугольных импульсов (типа «меандр»), период повторения которых можно записать в виде равенства (16.21)

а — принципиальная электрическая схема; б — временные диаграммы;

в — принципиальная электрическая схема преобразователя с дифференциальным датчиком

Рисунок 16.21 — Преобразователи перемещений в период повторения импульсов.

Отсюда видно, что период повторения импульсов пропорционален индуктивности обмотки датчика перемещений. На рисунке 16.21в показана схема, в которой используется дифференциальный индуктивный датчик перемещений.

Данная схема аналогична описанной выше, но обмотки L₁ и L₂ подключены к выходу операционного усилителя через электронные ключи на транзисторах V₁ и V₂. Транзисторы имеют различный характер проводимости, поэтому при u_вых= +E транзистор V₁ открыт, а V₂ закрыт, а при u_вых= -E наоборот, V₁ закрыт, а V₂ открыт. Таким образом обеспечивается поочередное подключение обмоток L₁ и L₂.Если индуктивности этих обмоток не равны, то будут отличаться длительности положительных и отрицательных генерируемых импульсов, т. е. будет изменяться скважность. Выходная величина преобразователя будет вычисляться по формуле (16.22)

где L₁ и L₂ — длительности положительных и отрицательных импульсов.

Очевидно, что при одинаковой амплитуде положительных и отрицательных импульсов величина у пропорциональна постоянной составляющей выходного сигнала, следовательно, постоянная составляющая выходного сигнала также может рассматриваться в качестве выходной величины. Достоинством датчиков перемещений с частотной гармонической или импульсной модуляцией является возможность передачи выходных сигналов по линиям связи на большие расстояния практически без потерь информации и удобство их преобразования в цифровой код.

При использовании трансформаторных датчиков перемещений выходной величиной является амплитуда переменного напряжения, снимаемого с измерительной обмотки. В дальнейшем это напряжение служит для получения результата измерения либо непосредственно, либо после предварительного преобразования в постоянное напряжение или постоянный ток.

Оптоэлектрические преобразователи. Высокую точность измерений перемещений позволяют получить методы, основанные на применении оптоэлектрических преобразователей и источников оптического излучения, например методы растра и муара.

В методе растра используются две плоские пластины с параллельными штрихами. Расстояние между штрихами на каждой пластине постоянно, но для двух пластин незначительно отличается. При наложении пластин (растров) друг на друга и их просвечивании наблюдаются зоны сгущения и разряжения штрихов (рисунок 16.22а, 16.22б). Перемещение одного растра относительно другого в направлении, перпендикулярном штрихам, вызывает перемещение указанных зон сгущения штрихов в том же направлении, но значение этого перемещения у оказывается гораздо больше, чем значение измеряемого перемещения х, т. е. происходит оптическая редукция. Если расстояния между штрихами на пластинах равны а и b (рисунок 16.22а, 16.22б), то перемещение у будет вычисляться по формуле (16.23)

, (16.23)

В методе муара растры на двух пластинах имеют одинаковый шаг, но расположены под небольшим углом α. друг к другу (рисунок 16.22б, 16.22г). При наложении растров и их просвечивании наблюдаются светлые и темные полосы, идущие поперек штрихов и называемые комбинационными, или муаровыми, полосами. Перемещение одного из растров вызывает значительно большее смещение муаровых полос в направлении, перпендикулярном направлению движения растра, т. е. также происходит оптическая редукция. Значения этих перемещений связаны соотношением (16.24)

Наличие оптической редукции в методах растра и муара позволяет достигнуть высокой чувствительности к измеряемому перемещению.

При измерениях перемещений от долей микрометра до метра используются лазерные интерферометры. В этих приборах производится сложение двух световых потоков, излучаемых лазером, один из которых проходит постоянный путь, а второй — путь, зависящий от измеряемого расстояния. Сложение потоков приводит к усилению или ослаблению суммарного потока в зависимости от разности фаз потоков, т. е. в зависимости от измеряемого расстояния.

Рисунок 16.22 — Растровый и муаровый преобразователи перемещений

На рисунке 16.23 показано устройство лазерного интерферометра. Лазер излучает световой поток Ф, который разделяется на два потока (Ф₁ и Ф₂) с помощью полупрозрачного наклонного зеркала 2. Поток (Ф₁, отражаясь от зеркала 2, а затем от зеркала 3, попадает на фотоэлемент 1. Поток Ф₂ проходит через зеркало 2, отражается от объекта 4, затем от зеркала 2 и попадает на фотоэлемент 1. В фотоэлементе 1 потоки складываются, и при изменении расстояния до объекта 4 периодически будет изменяться сигнал (фототок) фотоэлемента. Число подсчитанных с помощью счетчика 5 периодов k фототока и перемещение объекта на расстояние х связаны соотношением (16.25)

х = k /2, (16.25)

где — длина волны света.

При измерении перемещений до 1 м погрешность составляет 0,1-1 мкм. Для измерения больших расстояний (сотен метров и более) применяются лазерные дальномеры, работающие в импульсном или непрерывном режиме. В первом случае измеряется интервал времени между излученным и отраженным импульсами, во втором — сдвиг фаз между излученным и отраженным сигналами.

Рисунок 16.23 — Лазерный интерферометр

При учете количества жидких или сыпучих материалов часто возникает необходимость измерения их уровня в резервуарах, причем под уров­нем понимается расстояние от верхней поверхности контролируемого вещества до любой произвольно выбранной отметки выше или ниже этой поверхности. Разнообразие конструкций существующих уровнемеров объясняется широким диапазоном размеров резервуаров, различиями в условиях эксплуатации и физико-химических свойств измеряемых веществ. Поэтому рассмотрим лишь некоторые наиболее распространенные способы измерения уровней. При измерениях уровней жидкости широко применяются поплавковые преобразователи, содержащие поплавок, плавающий на поверхности жидкости. Обычно поплавок с помощью штока связан с подвижным элементом реостатного или индуктивного преобразователя перемещений. Широкое распространение при измерениях уровней получили также емкостные преобразователи, так как в них достигается практически линейное изменение емкости в большом диапазоне изменения уровня жидкости. На рисунке 16.24 приведена схема прибора для измерения уровня с емкостным датчиком. Емкостный датчик опущен в резервуар и состоит из двух цилиндрических электродов. Емкость датчика линейно связана с измеряемым уровнем жидкости х. Емкостный датчик включен в измерительную цепь, представляющую собой уравновешенный мост. Если емкость С_п конденсатора пе­ременной емкости линейно зависит от угла поворота вала реверсивного двигателя РД, то этот угол поворота будет линейной функцией измеряемого уровня х. При повороте вала РД одновременно перемещается указатель отчетного устройства ОтУ. Существенным недостатком данной схемы является зависимость результата измерений от диэлектрической проницаемости среды.

При измерениях уровней как в диэлектрических, так и в проводящих средах находят применение преобразователи, использующие зависимость резонансной частоты длинной линии от степени заполнения ее контролируемой средой (резонансные электромагнитные системы). Обычно такие датчики представляют собой симметричную двухпроводную или коаксиальную линию, включаемую в контур автогенератора. Погружение датчика в контролируемую жидкость вызывает изменение частоты генерации. Действительно, погружение

Рисунок 16.24 — Схема прибора для измерения уровня жидкости

датчика в диэлектрическую жидкость с относительной диэлектрической проницаемостью е приводит к уменьшению его волнового сопротивления, а также к уменьшению фазовой скорости электромагнитных волн в раз. Погружение датчика в проводящую среду приводит к возрастанию резонансной частоты из-за уменьшения участка датчика, по которому протекают высокочастотные токи (проводящая жидкость играет роль замыкающей перемычки). Принцип действия указанных датчиков уровня иллюстрируется на рисунке 16.25 (на рисунке 16.25а — жидкость диэлектрическая, на рисунке 16.25б — жидкость проводящая). К недостаткам резонансных электромагнитных датчиков Уровня следует отнести зависимость их выходной величины от диэлектрической проницаемости жидкости или от удельного сопротивления проводящей жидкости.

Повышение точности измерений перемещений. Широкое применение в промышленности датчиков перемещений для измерений разнообразных физических величин делает очень важной задачу повышения точности измерений перемещений. С одной стороны, указанная задача решается путем совершенствования конструкций и технологии изготовления датчиков перемещений, применения лучших схем преобразования сигналов на базе современной микроэлектроники, а также путем создания новых типов датчиков, использующих различные физические явления.

С другой стороны, для достижения высоких точностей измерений все более перспективным становится использование для повышения точности измерений структурной и временной избыточности.

Рисунок 16.25 — Резонансные электромагнитные преобразователи уровня

В качестве примера рассмотрим применение тестовых методов для повышения точности измерений перемещений. На рисунке 16.26 приведена структурная схема одного канала тестовой ИИС с индуктивными датчиками перемещений. Датчик перемещений представляет собой дифференциальный индуктивный датчик соленоидного типа с подвижным ферромагнитным сердечником. Выводы катушек 1-3 и 5-7 образуют основной (исходный) ЭП Vвых дифференциальный датчик. Выводы 2-4 и 6-8 смещены относительно выводов основного датчика на одну и ту же величину . При однородной по длине датчика намотке выводы 2-4 и 6-8 образуют как бы другой (дополнительный) дифференциальный датчик, смещенный относительно основного на величину . Обмотки датчика с помощью коммутатора К под­ключаются к измерительному преобразователю МП, выходной сигнал которого передается в линию связи ЛС. В качестве ИП может быть использован, например, преобразователь индуктивности в период, изображенный на рисунке 16.26. Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует сигнал в цифровой код N, который вводится в вычислительное устройство ВУ. Предположим, что функция преобразования перемещения сердечника в индуктивность любой обмотки датчика описывается алгебраическим полиномом второго порядка. Тогда для индуктивностей обмоток, имеющих выводы 1-3, 5-7, 2-4 и 6-8, можно записать выражения (16.26)

L_2-4=d₀+d₁(x₀+x+ )+d₂(x₀+x+ ) 2 , (16.26)

L_5-7=d₀+d₁(x₀-x- ) + d₂(x₀-x- ) 2

где x₀ — нейтральное положение сердечника, при котором L_1-3= L_5-7;

х — измеряемое перемещение, отсчитываемое относительно нейтрального положения сердечника;

d₀, d₁, d₂-параметры функции преобразования датчика.

Рисунок 16.26 — Структурная схема канала тестовой ИИС для измерения перемещений

В этом случае выполняются четыре преобразования путем поочередного подключения к ИП выводов 1-5, 5-7, 2-4 и 6-8. Предположим, что ИП имеет линейную функцию преобразования. Пренебрегая погрешностями квантования и нелинейности АЦП, будем считать, что его функция преобразования также линейна. Тогда можно записать (16.27)

где N_j — код на выходе АЦП;

L_j — индуктивность j-й обмотки датчика;

c₀ , с₁ — параметры функции преобразования индуктивности в код.

Результаты четырех преобразований при поочередном подключении обмоток датчика запишем в виде (16.28)

L_2-4= с₀ +с₁d₀+ с₁d₁(x₀+x+ ) + с₁d₂(x₀+x+ ) 2 (16.28)

L_5-7= с₀ +с₁d₀+ с₁d₁(x₀-x- ) + с₁d₂(x₀-x- ) 2

Решив систему уравнений (16.28), получим (16.29)

Вычисление значения измеряемого перемещения по (16.29) осуществляется в ВУ. Можно показать, что вычисленное значение перемещения х не зависит от параметров с₀ с₁ d₀ d₁ d₂ датчика перемещений и всего измерительного канала, а достижимая точность определяется идентичностью двух половин дифференциального датчика и стабильностью значения (16.29).

Другим примером использования структурной избыточности и соответствующих алгоритмов обработки измерительной информации с целью повышения точности измерений является применение двухканальных преобразователей уровня жидкости. Как отмечалось выше, выходная величина резонансных электромагнитных датчиков уровня зависит от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. В общем случае функция преобразования таких датчиков может быть представлена в виде (16.30)

где ω — частота генерации (выходной параметр);

ε — диэлектрическая проницаемость жидкости;

f(x) — функция измеряемого уровня x, зависящая от конструкции конкретного датчика.

Для повышения точности измерений используются два аналогичных датчика, имеющих разные функции f(x). Отличие функций f(x) может быть реализовано включение различных нагрузок на концах отрезков линий, образующих датчики; например, один отрезок короткозамкнут, другой разомкнут.

В этом случае выходные параметры обоих датчиков будут определяться уравнениями (16.31) и (16.32)

Значения выходных параметров датчиков преобразуем в соответствии с формулой (16.33)

Очевидно, что вычисленное по (16.33) значение у является функцией измеряемого уровня х и не зависит от значения диэлектрической проницаемости ε.

Таким образом, рассмотренные выше методы позволяют обеспечить высокую точность измерений различных физических величин в изменяющихся условиях эксплуатации при использовании относительно неточных, но простых и надежных измерительных преобразователей.

Дата добавления: 2015-01-13 ; просмотров: 3824 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник