Датчик, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Датчики характеризуются: законом изменения выходной величины (у) в зависимости от входного воздействия (входной величины х), пределами изменений входных (x min - x max) и выходных величин (y min - y max); чувствительностью S= D/Dx , порогом чувствительности (значением минимального воздействия, на которое реагирует датчик.) и временными параметрами (постоянными времени).

В соответствии с классификацией, принятой в Государственной системе приборов и средств автоматизации (ГСП), датчик относятся к техническим средствам сбора и первичной обработки контрольно-измерительной информации.

Датчик являются одними из основных элементов в устройствах дистанционных измерений, телеизмерений и телесигнализации, регулирования и управления, а также в различных приборах и устройствах для измерений в физике, биологии и медицине для контроля жизнедеятельности человека, животных или растений (биологические датчики).

Датчик перемещения, измерительный преобразователь линейных или угловых перемещений в сигнал (электрический, механический, пневматический), удобный для регистрации, дистанционной передачи и дальнейших преобразований.

В качестве датчика перемещений могут быть использованы ёмкостные, индуктивные, трансформаторные, резисторные, струнные, фотоэлектрические, струйные, индукционные, ферродинамические датчики, кодирующие диски. Различают датчики малых перемещений - от нескольких мкм до нескольких см и больших перемещений - от десятков см до нескольких м; для измерения больших перемещений применяют датчики пути. Наиболее высокую чувствительность при измерении малых перемещений обеспечивают фотоэлектрические, ёмкостные и некоторые типы индуктивных датчиков. Для измерения перемещений, связанных с деформацией деталей, используют тензодатчики, обычно с усилителями.

Как правильно выбирать датчик положения

Невозможно представить область, где бы не применялись датчики положения и перемещения, являясь важным связующим звеном между электронной и механической частями приборов.

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. 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

Широко применяются в схемах ДП индуктивные преобразователи, разработкой которых занимаются многие организации. Этот класс ДП, наиболее разработанный, содержит разные модификации, среди которых магнитоупругие, индуктивные, соленоидные и дифференциальнотрансформаторные являются наиболее распространенными. Большинство этих датчиков применяются в машиностроении для контроля размеров деталей и в приборостроении для измерения теплоэнергетических параметров. Дифференциальнотрансформаторные ДП отличаются более высокой точностью, благодаря двухканальной схемой построения.

Разновидностью индуктивных ДП, выделенных в отдельный класс приборов, являются индуктосины, отличающиеся от классических индуктивных ДП развернутой в линейку распределенной магнитной системой. Индуктосины находят применение при измерении больших перемещений до 1000 и более мм, например, в металлообрабатывающих станках с программным управлением. Для прецезионных станков в часовой промышленности известны примеры использования индуктосинов для контроля перемещений в диапазоне от 1 мкм до 10 мм. Однако широкого применения для измерения малых перемещений индуктосины не нашли из-за сложности и дороговизны.

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.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

"Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

Энергетический институт

Направление подготовки (специальность) 140400 "Электроэнергетика и электротехника" (Электрические и электронные аппараты)

Кафедра "Электротехнические комплексы и материалы"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту/работе

по дисциплине "Электронные и электрические аппараты систем автоматики"

на тему " Датчик линейного перемещения "

Выполнил студент гр. 5Г 2Г

В.А. Гончаров

Руководитель

Е.П. Богданов

Томск 2015 г.

1. Датчик перемещения

1.1 Емкостные датчики перемещения

1.2 Оптические датчики перемещения

1.3 Индуктивные датчики перемещения

1.4 Вихретоковые датчики перемещения

1.5 Ультразвуковые датчики перемещения

1.6 Магниторезистивные датчики перемещения

1.7 Датчики на основе эффекта Холла

1.8 Магнитострикционные датчики перемещения

1.9 Потенциометрические датчики перемещения

1.10 Индуктивный датчик перемещения типа LVDT серии SM

2. Расчетная часть

2.1 Исходные данные для расчета

2.2 Электромагнитный расчет

2.3 Тепловой расчет

3. Определение параметров и построение характеристик

3.1 Определение нелинейности характеристики выходного напряжения датчика линейного перемещения ЛДТ

3.2 Выходная характеристика датчика

3.3 График коэффициента крутизны выходной характеристики

3.4 Построение нагрузочной характеристики

Заключение

Список литературы

1. Датчик перемещения

Датчик перемещения - это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам. Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории - датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения (энкодеры). В рамках данного обзора основное внимание будет уделено именно датчикам линейного перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть:

· Емкостными

· Оптическими

· Индуктивными

· Вихретоковыми

· Ультразвуковыми

· Магниторезистивными

· Потенциометрическими

· Магнитострикционными

· На основе эффекта Холла

1.1 Емкостные датчики перемещения

В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (рис. 1). Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами. Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Рис. 1. Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Другой схемой, где выходным параметром является электрическая ёмкость, является схема, содержащая конденсатор с подвижным диэлектриком (рис. 2). Перемещение диэлектрической пластины между обкладками конденсатора также приводит к изменению его ёмкости. Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта. Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты - он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рис. 2. Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком.

1.2 Оптические датчики перемещения

Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах. Пожалуй, наиболее популярной является схема оптической триангуляции - датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить длину d - расстояние до объекта (рис. 3). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

Рис. 3. Оптический датчик перемещения на основе схему оптической триангуляции.

В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор (рис. 4). Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.

Рисунок 4. Оптический датчик перемещения на основе дифракционных решеток.

Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е. датчик может "обращать внимание" только на объекты с хорошей отражающей способностью, прочие объекты игнорируются. Разумеется, чувствительность к поляризации негативно сказывается на стоимости подобных устройств.

1.3 Индуктивные датчики перемещения

В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатора (рис. 5). Поскольку амплитуда сигнала во вторичной обмотке зависит от потокосцепления, по величине амплитуды вторичной обмотки можно судить о положении сердечника, а значит и о положении внешнего объекта.

Рис. 5. Индуктивный датчик перемещения на трансформаторе.

Другая конфигурация имеет более простую схему, однако она пригодна лишь для небольшого количества приложений, где требуется определять незначительные перемещения или вибрации объектов, состоящих из ферромагнитного материала. В данной схеме интересующий ферромагнитный объект играет роль магнитопровода, положение которого влияет на индуктивность измерительной катушки (рис. 6).

Рис. 6. Индуктивный датчик перемещения для объектов из ферромагнитных материалов.

1.4 Вихретоковые датчики перемещения

Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создаёт магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объёме вихревые токи (токи Фуко), которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле (рис. 7). Параметры вторичного поля определяются регистратором, и на их основании вычисляется расстояние до объекта, так как чем объект ближе, тем больший магнитный поток будет пронизывать его объём, что усилит вихревые токи и индукцию вторичного магнитного поля. Подобный принцип используется и в вихретоковых дефектоскопах, однако там на параметры вторичного магнитного поля влияет не расстояние до объекта, а наличие в его внутренней структуре скрытых несовершенств. Метод является бесконтактным, однако может применяться только для металлических тел.

Рис. 7. Вихретоковый датчик перемещения.

1.5 Ультразвуковые датчики перемещения

трансформатор электромагнитный датчик обмотка

В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара - фиксируются отражённые от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором (рис. 8), которые обычно заключены в компактный корпус. Определение временной задержки между моментами отправки и приёма ультразвукового импульса позволяет измерять расстояние до объекта с точностью, доходящей до десятых долей миллиметра. Наряду с оптическими, ультразвуковые датчики на сегодняшний день являются, пожалуй, наиболее универсальным и технологичным бесконтактным средством измерения. Использование этого принципа измерений опять же можно найти в детекторах обнаружения дефектов, только на этот раз уже в ультрозвуковых дефектоскопах.

Рис. 8. Ультразвуковой датчик перемещения.

1.6 Магниторезистивные датчики перемещения

В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля. Датчик, как правило, состоит из постоянного магнита и электрической схемы, содержащей включённые по мостовой схеме магниторезистивные пластинки и источник постоянного напряжения (рис. 9). Интересующий объект, состоящий из ферромагнитного материала, перемещаясь в магнитном поле, изменяет его конфигурацию, вследствие чего изменяется сопротивление пластинок, и мостовая схема регистрирует рассогласование, по величине которого можно судить о положении объекта.

Рис. 9. Магниторезистивный датчики перемещения.

1.7 Датчики на основе эффекта Холла

Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла - прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

1.8 Магнитострикционные датчики перемещения

Как правило, магнитострикционный датчик представляет собой протяжённый канал - волновод, вдоль которого может свободно перемещаться постоянный кольцевой магнит. Внутри волновода содержится проводник, способный при подаче на него электрических импульсов создавать магнитное поле вдоль всей своей длины (рис. 10). Полученное магнитное поле складывается с полем постоянного магнита, и результирующее поле создаёт момент вращения канала, содержащего волновод (эффект Вайдемана). Импульсы вращения распространяются по каналу в обе стороны со скоростью звука материала канала. Регистрация временной задержки между отправкой электрического импульса и приёма импульса вращения позволяет определить расстояние до постоянного магнита, т.е. определить его положение. Канал может иметь довольно большую длину (до нескольких метров), а положение магнита может быть определено с точностью до нескольких микрометров. Магнитострикционные датчики обладают отличной повторяемостью, разрешением, устойчивостью к неблагоприятным условиям и низкой чувствительностью к температурным изменениям.

Рис. 10. Магнитострикционный датчик перемещения.

1.9 Потенциометрические датчики перемещения

Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр (рис. 11). Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора). Если через потенциометр пропускать постоянный ток, то падение напряжения на нём будет пропорционально величине сопротивления, и, следовательно, величине линейного перемещения интересующего объекта.

Рис. 11. Потенциометрический датчик перемещения.

Наряду с механическими датчиками перемещения, потенциометрические датчики получили наиболее широкое распространение в силу своей простоты и низкой стоимости, однако для универсальных, прецизионных и бесконтактных измерений в последнее время всё чаще используются датчики на основе оптических эффектов.

При эксплуатации систем автоматики и информационно-измерительной техники возникает необходимость в измерении и анализе различных физических величин. Зачастую требуется привести их к виду и форме, удобным для дальнейшей обработки, но не поддающимся непосредственному восприятию. Для этих целей служат датчики.

Под датчиком подразумевается элемент, преобразующий контролируемую величину одного вида в величину другого вида, более удобную для воздействия на оперативный орган системы автоматического управления. В электрическом датчике изменение контролируемого (часто неэлектрического) параметра на входе вызывает определенное изменение выходного электрического параметра, что приводит к изменению (коммутации) тока или ЭДС в электрической цепи на выходе датчика. Поэтому датчики принято относить к электрическим аппаратам.

В зависимости от вида контролируемой величины различают датчики: линейного или углового механического перемещения, скорости, ускорения, момента вращения, температуры, давления и т. д.

Датчики подразделяются на две большие группы:

Пассивные, или параметрические.

Активные, или генераторные.

К первой группе относятся датчики, которые не в состоянии самостоятельно создавать на выходе электрический сигнал. Датчик под действием контролируемой величины лишь меняет свои внутренние параметры, что в конечном итоге и вызывает изменение выходного сигнала. Активные датчики не нуждаются в постороннем источнике питания, они сами под воздействием измеряемой величины генерируют электрический сигнал, как правило в виде ЭДС.

Обзор существующих конструкций

Среди большого многообразия конструктивных модификаций датчиков линейных перемещений (ДЛП) с улучшенными эксплуатационными и метрологическими параметрами, широкими функциональными возможностями выделяются ДЛП на основе распределенных магнитных систем. Наибольшее распространение среди данного класса ДЛП получили дифференциальные датчики трансформаторного типа, свойства которых принято оценивать с помощью нескольких характеристик.

1. Степень соответствия реальной и расчетной функции преобразования, которую можно характеризовать отношением нелинейности к коэффициенту усиления Ki. Для линейных датчиков высокой точности нелинейность выходной характеристики не должна превышать 0,1-0,2%.

2. Фазовый сдвиг выходного напряжения относительно напряжения возбуждения изменение сдвига фазы при перемещении подвижной части ДЛП.

3. Чувствительность ДЛП. При фиксированном напряжении возбуждения она определяется как тангенс угла наклона выходной характеристики.

Помимо перечисленных важными параметрами в зависимости от области применения ДЛП являются также значение реактивных усилий на подвижную часть, габаритные размеры и масса, повторяемость характеристик, надежность, энергоемкость и др.

Зависимость выходного параметра Y датчика от входной величины X является основной характеристикой датчика. В зависимости от типа датчика она может быть линейной или нелинейной.

Отношение приращения выходной величины к приращению входной называется чувствительностью датчика:

Длительность переходного процесса определяет быстродействие датчика. Обычно к датчикам предъявляются требования максимальных чувствительности и быстродействия. Кроме этого, одно из основных требований сводится к тому, чтобы параметры и характеристики датчика оставались стабильными во времени и при изменении условий работы (температура, давление, влажность среды, положение датчика и т. д.).

В настоящее время широко применяется дифференциальный трансформатор с воздушным ярмом (ЛДТ). В магнитной цепи этого трансформатора только сердечник выполняется из ферромагнитного материала, ярмо отсутствует или является воздушным.

Дифференциальные трансформаторы широко внедрены в приборостроении, поскольку без магнитопроводящего ярма существенно улучшилась линейность выходной характеристики и резко уменьшился "соленоидный эффект".

Наилучшие характеристики имеет трёхкатушечный дифференциальный трансформатор, представленный на рисунке 1. Датчик состоит из внешнего магнитопровода 1, подвижного сердечника 2 и катушки, на которой размещены обмотка возбуждения 3 и секции рабочей обмотки (РО) 4, включенные последовательно встречно.

При питании обмотки возбуждения датчика от источника переменного тока и среднем положении сердечника ЭДС, наведённые в секциях рабочей обмотки, находящиеся по обе стороны сердечника, равны по величине и противоположны по фазе. Поэтому результирующая ЭДС и выходное напряжение минимальны. В случае смещения сердечника из среднего положения равновесие нарушается, и напряжение на выходе увеличивается.

Крутизна и линейность выходного напряжения определяются равномерностью электромагнитной связи между обмотками, которая обеспечивается равномерным распределением секций рабочей обмотки над обмоткой возбуждения и соотношением, витков этих обмоток над сердечником.

Из анализа существующих конструкций датчиков следует, что за основу при проектировании может быть взята конструкция датчика типа ЛДТ (линейный дифференциальный трансформатор) (рис. 12), поскольку другие конструкции не обеспечивают требуемых габаритных размеров. Кроме того, датчики подобного типа отличаются сравнительной простотой конструкции, высокой надёжностью и стабильностью параметров.

Датчик представляет собой линейный дифференциальный трансформатор (ЛДТ) с воздушным ярмом. Датчик состоит из корпуса 1, магнитопровода 2, катушки 3, стакана 4. Электрическая схема датчика показана на рис. 13.

Рис. 12. Трёхкатушечный дифференциальный трансформатор.

Рис. 13. Электрическая схема датчика ЛДТ.

Корпус представляет собой полый цилиндр с толщиной стенки 1мм. Для обеспечения требований исходных данных и стойкости при внешних воздействующих факторах он выполнен из немагнитной трубы (сталь 12X18PI10T).

Для снижения потребляемой датчиком мощности и уменьшения влияния на его параметры внешних магнитных полей, внутри корпуса помещён внешний магнитопровод, который представляет собой трубку из ферромагнитного материала 79НМ толщиной 0,35мм. Сплав 79НМ уступает другим магнитомягким материалам по магнитной проницаемости, но имеет большое удельное электрическое сопротивление и малую зависимость м от частоты. Кроме того, он обладает низкой магнитострикцией и малой коэрцитивной силой. Вязкость и пластичность материала обеспечивает использование прогрессивных методов изготовления магнитопровода (вытяжка, штамповка, изгиб и т.д.).

Катушка состоит из каркаса, выполненного из фенопласта, на котором размещены первичная обмотка ОВ (обмотка возбуждения) и две секции вторичной обмотки Р 01 и Р 02 (секции рабочей обмотки). Рабочие обмотки включены последовательно встречно. Выводы обмоток распаяны на лепестки колодки, а затем монтажным проводом выведены наружу. Стакан представляет собой полый цилиндр из немагнитной стали, внутри которого с гарантированным зазором размещается подвижная часть.

Подвижная часть датчика представляет собой сердечник, шихтованный из магнитомягких пластин. В рассматриваемом датчике используется новый вид сердечника, как технически совершенного и улучшающего линейность выходной характеристики. Сердечник представляет собой полую трубку с тягой из нержавеющей стали (шток), заполненную тонкими пластинами из магнитомягкого материала, залитых для неподвижности компаундом.

Датчик относится к дифференциально-трансформаторному типу, принцип действия которого основан на изменении взаимных индуктивностей между секциями рабочей обмотки и обмотки возбуждения при перемещении сердечника. При питании обмотки возбуждения датчика от источника переменного тока и среднем положении сердечника (нулевое положение) ЭДС, наводимые в секциях рабочей обмотки равны но величине и противоположны по фазе, поэтому результирующая ЭДС и выходное напряжение минимальны. В случае смещения сердечника из среднего положения равновесие нарушается, и напряжение на выходе увеличивается.

Выходное напряжение изменяется пропорционально величине перемещения сердечника. При переходе сердечника через нулевое положение фаза выходного напряжения изменяется на 180°.

Раздельное применение исполнительного механизма и датчика требует наличия промежуточного звена между этими приборами, кроме того, увеличивается количество подводимых проводов. Это приводит к увеличению массы подвижных частей, габаритов, уменьшается надёжность и возрастает стоимость. Поэтому исполнительный механизм и датчик объединены в один прибор, называемый линейным электромагнитным преобразователем со встроенным датчиком положения (ЛЭП) (рис.14).

Рис. 14. Общий вид ЛЭП.

Рис. 15. Конструктивная схема датчика.

Рис. 16. Конструктивная схема исполнительного механизма.

ЛЭП состоит из двух основных элементов: датчика 1 и исполнительного механизма 4, объединённых в один прибор. Датчик представляет собой цилиндр, в котором расположена подвижная часть 3, катушка 2. Исполнительный механизм состоит из корпуса, внутри которого расположен подвижный якорь 5. Подвижная часть датчика и якорь жестко связаны между собой и могут перемещаться. Якорь соединяется с рабочим органом агрегата, перемещение которого измеряется.

При подаче управляющего сигнала на исполнительный механизм, якорь начинает перемещаться влево или вправо. С катушки датчика снимается переменное напряжение, амплитуда которого пропорциональна величине перемещения подвижной части.

Конструктивная схема датчика показана на рис. 15.

За основу конструкции исполнительного элемента была принята магнитоэлектрическая система, как наиболее полно удовлетворяющая требованиям технического задания. Конструктивная схема исполнительного механизма (в дальнейшем преобразователь) показана на рис. 16.

Преобразователь состоит из стального корпуса 1, на внутреннюю поверхность которого на клей посажены постоянные магниты 4. Для надёжности магниты прижаты гайкой 3. Внутри корпуса располагается якорь, состоящий из немагнитного каркаса 7 с расположенной на нём обмоткой постоянного тока 5. Якорь может свободно перемещаться в корпусе на бронзовых втулках 8, 9. Электрическая связь между внешней цепью и катушкой осуществляется с помощью гибких проводников.

Для увеличения усилия, развиваемого якорем, а также для уменьшения мощности, потребляемой преобразователем, между магнитами и якорем устанавливается дополнительный магнитопровод 6, представляющий собой полый цилиндр, выполненный из ферромагнитного сплава 50НХС.

Для подключения обмоток датчика и преобразователя к внешней цепи на корпусе установлена вилка 2.

Принцип действия преобразователя основан на взаимодействии двух потоков: поляризующего, создаваемого постоянными магнитами и рабочего, создаваемого обмоткой якоря. В результате этого взаимодействия якорь развивает усилие, величина которого пропорциональна величине тока, протекающего по обмотке.

1.10 Индуктивный датчик перемещения типа LVDT серии SM

Линейно регулируемые дифференциальные трансформаторы (LVDT) (рис. 17) идеально подходят для применения в устройствах, находящихся в жестких промышленных условиях - таких как высокая температура, давление, постоянная динамика или длительный цикл производства.

Рис. 17. Индуктивный датчик перемещения типа LVDT серии SM.

Технические характеристики :

Номинальное перемещение (Lном) 0-2…200, мм

Нелинейность, % : 0,2 или 0,3

Номинальный диапазон температур, _ С: -40...+120 (+150)

Материал: сталь с никелированным покрытием

Класс защиты: IP67 (IP68)

Частота питания, кГц: 2…10

Номинальное напряжение (Uном), В: 3

Габаритные размеры, мм, не более: диаметр 12 х (220 - 1593)

После проведения анализа существующих конструкций за основу проектирования взята конструкция датчика типа ЛДТ (линейный дифференциальный трансформатор) и далее расчет ведется именно по этому датчику.

2. Расчетная часть

2.1 Исходные данные для расчета

1. Напряжение питание U 1 =7 В;

2. Частота напряжения питания f = 2000 Гц;

3. Ток потребления I 1 = 0,02A;

4. Величина выходного напряжения в нулевом положении U max = 0,7 В;

5. Крутизна выходной характеристики К=0,05мм -1 ;

6. Рабочий ход подвижной части l p =10?10 -3 м;

7. Длина сердечника l c =20?10 -3 ;

8. Эффективная магнитная проницаемость сердечника (для сплава 50 HXC)

10. Сечение сердечника S c =S B =7?10 -6 м 2 ;

11. Диаметр каркаса по краям первичной обмотки D k 1 =10?10 -3 м;

12. Диаметр каркаса под вторичной обмоткой D k 2 =8?10 -3 м;

13. Диаметр каркаса D кар =8?10 -3 м.

2.2 Электромагнитный расче т

Индуктивное сопротивление первичной обмотки:

Индуктивность первичной обмотки:

Количество витков первичной обмотки под сердечником:

Для обеспечения высокой линейности характеристики необходимо, чтобы индуктивность первичной обмотки была величиной постоянной при перемещении сердечника на всем рабочем ходе. Поэтому обмоткой должна быть намотана плотно виток к витку на всей длине каркаса. Длина каркаса:

При выполнении обмотки у щечек каркаса получается нелинейная намотка на длине около 1,5 мм у каждой щечки. В связи с этим длину каркаса необходимо увеличить на 3 мм. Принимаем l k =43 мм. Общее количество витков первичной обмотки:

Для обмотки выбирается провод марки ПЭТ - 155 с диаметром провода d пр =0,125 мм и диаметром изоляции d из =0,155 мм.

Число витков в одном слое:

Число слоев первичной обмотки:

Число слоев должно быть целым и по конструкторским соображениям четным, чтобы начало и конец обмотки были у одной щечки каркаса. Принимаем n 1 =6 слоев.

Уточненное число витков первичной обмотки:

Уточненное число витков первичной обмотки под сердечником:

Уточненное значение индуктивности:

Полная индуктивность первичной обмотки:

Активное сопротивление первичной обмотки:

Полное сопротивление цепи первичной обмотки:

Потребляемый датчиком ток:

Плотность тока первичной обмотки:

Количество витков секции вторичной обмотки при перемещении сердечника на величину полного рабочего хода:

Число витков в слое:

Число слоев секции вторичной обмотки:

Число витков обмотки должно быть целым и четным. Принимаем n 2 =8.

Число витков секции вторичной обмотки:

Активное сопротивление секции вторичной обмотки:

Индуктивность секции вторичной обмотки:

Полная индуктивность вторичной обмотки:

Наружный диаметр катушки датчика:

Напряжения на клеммах рабочей обмотки в нулевом положении подвижной части:

2.3 Тепловой расчет

При протекании тока по токоведущим деталям электрического аппарата возникают потери электрической энергии в виде тепла. В общем случае тепловая энергия расходуется на повышение температуры аппарата и частично рассеивается в окружающей среде.

При повышении температуры происходит ускоренное старение изоляции проводников и уменьшение их механической прочности. Например, срок службы изоляции при возрастании длительной температуры всего лишь на 8°С выше номинальной сокращается в два раза. Поэтому во всех возможных режимах работы температура их не должна превышать таких значений, при которых обеспечивается заданная длительность работы аппарата.

Рассчитаем превышение температуры катушки датчика.

По закону Ньютона-Рихмана, превышение температуры катушки определяется как:

В катушке данного датчика используется изоляция класса А, допустимая температура нагрева и=105 _ С;

Тогда удельное сопротивление медного провода при температуре 105 _ С:

Активное сопротивление при температуре 105 _ С обмоток:

Возбуждения:

Рабочих:

Полное сопротивление цепи первичной и вторичной обмоток:

Мощность, выделяемая на первичной и вторичной обмотках:

Суммарная мощность:

Поверхность охлаждения катушки:

Нагрев катушки:

Установившаяся температура поверхности:

Т.е. температура не превышает допустимую для данного класса изоляции.

Вывод : Исходя из данных полученных при электромагнитном и тепловом расчете, можно сказать о том, что полученные параметры являются приемлемыми для данного типа датчика, т.к. удовлетворяют заданным требованиям, следовательно, можно переходить к следующему этапу курсового проектирования.

3. Определение параметров и построение характеристик

Рис.18. Лабораторный стенд для снятия характеристик

3.1 Определение нелинейности характеристики выходного напряжения датчика линейного перемещения ЛДТ

Сопротивление нагрузки датчиков 10 кОм:

Рабочий диапазон датчика: ±30 мм;

"+" - перемещение штока в сторону датчика;

"-" - перемещение штока во внутрь датчика.

Определяется зависимость выходного напряжения датчика ЛДТ - 3522 от перемещения в точках:

30;-25;-20;-15;-10;-5;0;5;10;15;20;25;30 мм.

Результаты измерений заносятся в таблицу 1.

Таблица 1. Экспериментальные данные.

Нелинейность характеристик (рис. 19) рассчитывается по формуле:

где Ui - напряжение, измеренное в точках, указанных в таблице, В;

li - точки, указанные в таблице, мм;

К - крутизна характеристики выходного напряжения в конце рабочего диапазона; lk = 30 мм - рабочий диапазон.

Пример расчета для одной точки:

Коэффициент К рассчитывается раздельно в положительную и отрицательную стороны по формуле:

где U вых - напряжение в конце рабочего диапазона.

Рис. 19. Нелинейность характеристики при перемещении датчика

3.2 Выходная характеристика датчика

Выходная характеристика датчика представляет собой зависимость выходного напряжения от положения подвижной части и описывается выражением: Uвых=f(l i) строится по данным, полученным из опыта (рис. 20).

Рис. 20. Выходная характеристика датчика.

3.3 График коэффициента крутизны выходной характеристики

Рис. 21. Графическая зависимость коэффициента крутизны выходной характеристики от перемещения датчика.

3.4 Построение нагрузочной характеристики

Нагрузочная характеристика необходима для определения пределов, в которых можно изменять нагрузку так, чтобы выходное напряжение датчика изменялось незначительно.

Нагрузочная характеристика описывается выражением: Uвых=f(R н) (рис.22).

Таблица 2

Напряжение U BbIX , В

Рис. 22. Нагрузочная характеристика.

Вывод: В результате исследования параметров и характеристик датчика линейного перемещения построили 4 различных характеристики. По графикам этих характеристик видно, что нелинейность характеристики уменьшается с приближением штока датчика к нулевому положению. Выходная характеристика - не линейна и минимум ее смещен от нулевого положения штока. Такие результаты можно объяснить некоторой неравномерностью электромагнитной связи между обмотками, причиной которой может быть неравномерное распределение секций рабочей обмотки над обмоткой возбуждения и соотношением витков этих обмоток под сердечником.

Нагрузочная характеристика показывает, что при изменении нагрузки от 2 до 10 кОм Uвых меняется незначительно, и это изменение имеет нелинейный характер, что объясняется насыщением сердечника при протекании больших токов при меньшей нагрузке.

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован бесконтактный аппарат на примере датчика линейного перемещения. Курсовой проект позволяет глубже понять и усвоить особенности электромагнитных датчиков, приобрести навыки расчета и конструирования линейных трансформаторных датчиков, исследования их рабочих режимов. В ходе курсового проекта был произведен электромагнитный и тепловой расчеты, а также был произведен выбор параметров. Определена нелинейность характеристики и рассчитан коэффициент крутизны выходной характеристики, а также построены выходная и нагрузочная характеристики.

Спроектированный аналог датчика линейных перемещений удовлетворяет всем требованиям, изложенным в задании.

Список литературы

1. Богданов Е.П. Лабораторный практикум по дисциплине "Бесконтактные электрические аппараты" для студентов специальности 18020 - "Электрические и электронные аппараты" - Томск: Издательство ТПУ, 2003.-58с.

2. Богданов Е.П. Методические указания к выполнению курсового проекта по дисциплине на тему: "Бесконтактные электрические аппараты" для студентов специальности 18020 - "Электрические и электронные аппараты" - Томск: Издательство ТПУ, 2003. - 20с.

3. Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов. - М.: Высшая школа, 1970.

4. Куликовский Л.Ф., Зарипов М.Ф. Индуктивные преобразователи перемещения с распределенными параметрами. - М.: Энергия, 1966.

5. Маталин А.А. Технология машиностроения. - Л.: Машиностроение, 1985.

6. Савченко М.Г., Филиппов В.И.. Марьянов Г.М. Проектирование устройств электропитания и электропривода. - М.: Энергия, 1973.

7. Чунихин А.А. Электрические аппараты. - М.: Энергоатомиздат,1988.

8. Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. научн. Трудов, НПЦ "Полюс", Томск, 1997.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Конструкция и принцип действия датчиков перемещения различных типов: емкостных, оптических, индуктивных, вихретоковых, ультразвуковых, магниторезистивных, магнитострикционных, потенциометрических, на основе эффекта Холла. Области использования приборов.

реферат , добавлен 06.06.2015


Разработка и выбор функциональной схемы датчика электромагнитного расходомера. Формирование и исследование аналоговой, цифровой схемы. Расчет блока питания устройства. Порядок разработки алгоритма работы и программного обеспечения микроконтроллера.

курсовая работа , добавлен 19.08.2012


Проект измерительного канала с преобразователем перемещения - кода для ротационного фотоэлектрического датчика, обеспечивающего контроль параметров движения рабочего органа по координатам положения и скорости. Расчет разрядной сетки преобразователя.

лабораторная работа , добавлен 04.04.2012


Разработка системы, предназначенной для управления поворотом устройства перемещения робота. Выбор и расчет передаточной функции микропроцессора, усилителя, электромагнитного клапана, гидроцилиндра. Расчет датчика обратной связи и устойчивости системы.

курсовая работа , добавлен 20.10.2013


Понятие и функциональные особенности потенциометрических датчиков, их разновидности и отличительные черты, назначение и принцип действия. Статические и динамические характеристики линейного, реверсивного и функционального потенциометрического датчика.

презентация , добавлен 24.12.2011


Описание технических характеристик и принципа действия датчика линейных ускорений. Обоснование технического эскиза. Расчёт статических и динамических параметров прибора, датчиков перемещения. Анализ источников погрешностей и возможные способы их снижения.

контрольная работа , добавлен 21.05.2013


Классификация физических явлений и эффектов, применяемых при конструировании устройств получения первичной измерительной информации. Виды упругих элементов. Расчет чувствительного элемента датчика давления и первичного измерительного преобразователя.

курсовая работа , добавлен 16.04.2012


Назначение и принцип работы потенциометров. Зависимость напряжения на выходе от перемещения ползунка. Электрическая схема потенциометрического датчика. Статическая характеристика нагруженных потенциометров. Реверсивный и нереверсивный типы их включения.

презентация , добавлен 10.05.2016


Основные технические характеристики системы регулирования. Выбор микропроцессора, захвата робота, гидропривода, редуктора, двигателя, датчика давления и линейного перемещения, операционного усилителя. Определение устойчивости дискретной системы.

курсовая работа , добавлен 20.10.2013


Последовательность и методика разработки датчиков расстояния и касания. Принцип работы поверяемых датчиков и образцовых приборов (микрометра или индикатора часового типа ИЧ-25). Соотношение показаний поверяемого датчика. Обработка результатов измерений.

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.

В бытовых охранных системах и устройствах контроля доступа и перемещений преимущественное распространение получили первые четыре группы датчиков.

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.

Интегральные датчики Холла находят применение во многих областях современной промышленности, например в машиностроении, автомобильной электронике, авиационной технике. В отличие от механических и оптических датчиков, датчики Холла обладают важным преимуществом — они практически нечувствительны к механическим воздействиям и изменению параметров окружающей среды, при этом обеспечивают минимизацию стоимости готового решения.

Введение

Наибольшее распространение получили так называемые ключевые датчики Холла — микросхемы, выход которых меняет логическое состояние при превышении напряженностью магнитного поля определенной величины. Такие датчики применяются, в частности, для измерения частоты вращения и величины перемещения движущихся объектов — валов электродвигателей, зубчатых колес редукторов, транспортерных лент и т. п. Однако существует отдельный класс интегральных микросхем с элементом Холла, позволяющий значительно расширить область применения либо дать разработчику большую гибкость при построении системы в традиционных областях применения. Речь идет о так называемых линейных датчиках Холла. В данной статье мы рассмотрим основные характеристики и области применения этих устройств.

Структура и основные характеристики линейных датчиков Холла

Линейные датчики Холла (ЛДХ) обычно оптимизируют для измерения величины униполярного или биполярного магнитного поля. ЛДХ характеризуются двумя основными параметрами — чувствительностью и линейностью в заданном диапазоне рабочих температур.

Типовая передаточная характеристика ЛДХ (зависимость выходного напряжения от амплитуды магнитного поля) показана на рис. 1. Большинство датчиков с однополярным питанием имеют выходное напряжение нуля (соответствующее нулевой напряженности магнитного поля), равное половине диапазона изменения выходного напряжения или половине напряжения питания. В последнем случае величина напряжения нуля и чувствительность зависят от величины напряжения питания. Это наблюдается в датчиках с пропорциональным выходом, представляющих собой элемент Холла с линейным усилителем (рис. 2). Так, у популярного датчика A3515 при напряжении питания +5,0 В напряжение нуля и чувствительность равны 2,5 В и 5,0 мВ/Гаусс соответственно, а при увеличении питания до 5,5 В данные параметры изменяются до значений 2,75 В и 5,5 мВ/Гаусс. Вот почему при использовании ЛДХ этого типа необходимо предъявлять более жесткие требования к источнику питания. В то же время датчики позволяют осуществить простую регулировку чувствительности без дополнительных усилительных компонентов, что может быть весьма полезно.

Современные ЛДХ представляют собой монолитную интегральную схему, где на одном кристалле объединены элемент Холла, линейный усилитель и оконечный каскад усиления мощности класса А (рис. 3). Кроме того, для увеличения точности преобразования и обеспечения температурной стабильности в микросхеме реализована система автоматической коррекции напряжения смещения и фильтрация сигнала после линейного усилителя.

В таблице 1 приведена номенклатура новых линейных датчиков Холла компании Allegro Microsystems. Датчики А1301, А1302 имеют схему, показанную на рис. 3. Они обеспечивают невысокое значение точности и могут использоваться, например, в системах регистрации угловых или линейных перемещений объектов. На показатели точности и стабильности характеристик ЛДХ с одним элементом Холла может оказывать влияние множество факторов: дисбаланс градиентов сопротивления в зависимости от направления тока, геометрическая неоднородность, пьезорезистивные эффекты и даже внешние механические воздействия на корпус микросхемы. Для устранения влияния указанных факторов на точность ЛДХ используется схема динамической квадратурной компенсации смещения. Принцип ее работы иллюстрирует рис. 4. Токи элемента Холла с двух направлений (0° и 90°) поочередно коммутируются с частотой около 200 кГц на входы дифференциального усилителя, осуществляя «электронный поворот» элемента на 90°. При этом к моменту «поворота» схема выборки-хранения фиксирует напряжение на выходе усилителя, устраняя коммутационные помехи. Окончательно сигнал пропускается через ФНЧ для полного восстановления. Схемотехника динамической квадратурной компенсации позволяет практически полностью устранить влияние внешних дестабилизирующих факторов, а также добиться высокой стабильности выходного напряжения смещения. К недостаткам схемы можно отнести наличие в спектре выходного сигнала шумов в полосе частот коммутации F ком, что ограничивает максимальную частоту выходного сигнала датчика величиной, обычно равной 0,1–0,2 F ком.

Описанный принцип компенсации смещения используется в датчиках А1321–А1323 (рис. 5). Эти изделия относятся к классу прецизионных калиброванных ЛДХ и сохраняют высокую точность и линейность преобразования в температурном диапазоне от –40 до +150 °С. Однако, как отмечалось выше, схемотехника динамической компенсации смещения приводит к увеличению шума на выходе датчика. Так, если у линейных датчиков А1301, А1302 амплитуда выходных шумов в полосе 10 кГц не превышает 150 мкВ, то у А1321–А1323 это значение оказывается уже на два порядка выше — около 25 мВ. Соответственно, при одинаковом коэффициенте преобразования 2,5 мВ/Гаусс разрешение по минимальной регистрируемой величине магнитного поля у А1301 составляет 0,06 Гаусс, а у А1323 — 10 Гаусс.

Использование регулировки напряжения питания для масштабирования коэффициента преобразования ЛДХ приводит к ряду сложностей при проектировании схемы. Во-первых, резко возрастают требования к стабильности напряжения источника питания. Во-вторых, пульсации и шумы питающего напряжения непосредственно модулируют выходной сигнал датчика, оказывая влияние на точность измерения, что требует применения сложной фильтрации, а значит, намного удорожает схему. От подобных недостатков свободны датчики нового поколения А1391, А1392 (рис. 6). Эти микросхемы имеют отдельный вход образцового напряжения масштабирования VREF, с помощью которого можно задать любое значение уровня нуля и коэффициента преобразования. При этом схема обеспечивает глубину подавления помех по напряжению питания около 60 дБ. Стабилизация смещения выполнена аналогично А1321–А1323, однако амплитуда шумов снижена на 20%.

В датчиках А1391 и А1392 реализован режим электронного отключения по входу SLEEP. При подаче на этот вход логического нуля микросхема переходит в режим пониженного энергопотребления (менее 25 мкА), а выход датчика переходит в третье состояние с высоким импедансом. Это позволяет объединять группы датчиков параллельно по выходам и использовать единый АЦП без встроенного мультиплексора (рис. 7). Опрос датчиков может осуществляться внешним микропроцессором выдачей сигнала логической единицы на вход SLEEP соответствующей микросхемы.

Применение ЛДХ

Среди областей применения линейных датчиков Холла следует выделить две наиболее распространенные. Это устройства измерения линейного или углового перемещения и измерения электрического тока.

Измерение линейного или углового перемещения

В большинстве применений для измерения перемещения объектов ЛДХ используют совместно с постоянными магнитами. Это обусловлено тем, что для поддержания максимальной линейности необходимо обеспечить большую величину изменения магнитного поля при изменении расстояния между ЛДХ и опорной точкой на перемещающемся объекте. Постоянный магнит необходимо выбирать с возможно большей напряженностью поля, например SaCo или AlNiCo.

Существует несколько вариантов взаимного расположения постоянного магнита и ЛДХ в системах измерений перемещений объектов. Наиболее простой способ — линейное расположение ЛДХ и магнита на одной оси так, чтобы силовые линии магнитного поля пересекали датчик под углом 90°. При таком расположении существует сильно нелинейная зависимость между выходным напряжением ЛДХ и расстоянием между ним и магнитом (рис. 8). При относительно небольших перемещениях отклонение от линейности невелико и можно не прибегать к дополнительной линеаризации. В противном случае необходимо использовать дополнительную схему линеаризации характеристики расстояние — напряжение.

Второй вариант — расположение ЛДХ и магнита в параллельных плоскостях. При такой ориентации система имеет точку нулевого поля, что позволяет получать дополнительную информацию о направлении перемещения по знаку выходного напряжения (например, вправо — увеличение напряжения, влево — уменьшение (рис. 9)). Как видно из рис. 9, центральная область относительно точки нулевого перемещения имеет высокую линейность, что с успехом может быть использовано в таких применениях, как потенциометры, воздушные корректоры (пневматические клапаны), датчики положения дроссельных заслонок и т. п. Кстати, в данном варианте, благодаря большой амплитуде изменения напряженности магнитного поля около нулевой точки, выходное напряжение ЛДХ тоже имеет большой размах, что упрощает последующую обработку сигнала.

Третий вариант — расположение ЛДХ между двумя комплементарно установленными магнитами (рис. 10). Комплементарные поля системы двух магнитов обеспечивают хорошую линейность с высокой крутизной характеристики. Эта система также располагает точкой нулевого перемещения, что позволяет иметь информацию о направлении перемещения. Недостатком описанного варианта является достаточно небольшой диапазон перемещений в такой системе, что ограничивает область ее применения.

Большинство рассмотренных вариантов в той или иной степени требуют линеаризации зависимости выходного сигнала от расстояния. Это можно реализовать с помощью АЦП и микроконтроллера, если в разрабатываемом устройстве предусмотрено последующее цифровое управление. Если же в результате требуется получить аналоговый сигнал, линейно зависящий от расстояния, процесс линеаризации может быть легко реализован с помощью программируемой аналоговой интегральной схемы (ПАИС) Anadigm . При этом достаточно один раз снять экспериментальную зависимость функции преобразования и занести ее в виде таблицы коэффициентов в среду разработки. Кроме линеаризации, в ПАИС можно при необходимости реализовать и дополнительную обработку сигнала (усиление, фильтрацию, детектирование нуля и т. п.).

Измерение электрического тока

Существует большое количество методов измерения тока, но только три из них нашли широкое применение в производстве массовой продукции. Это резистивный метод, трансформаторные датчики и датчики тока на эффекте Холла. Резистивный метод — самый простой и экономичный, но имеет существенные недостатки, среди которых — большие потери мощности на резисторе и отсутствие гальванической развязки измерительной и измеряемой цепей. Кроме того, проволочные резисторы обладают значительной индуктивностью, что не позволяет использовать их в схемах измерения импульсных и ВЧ-токов. Применение мощных безындукционных толстопленочных резисторов сводит экономический эффект данного метода к нулю. Использование трансформаторов тока — намного более дорогое решение, к тому же возможное только при измерении переменного тока в ограниченной полосе частот.

Датчики тока на эффекте Холла занимают промежуточное положение по цене между рассмотренными выше типами. Их основные преимущества — отсутствие потерь проводимости и возможность измерения как постоянного, так и переменного тока. Помимо того элемент Холла изолирован от токовой цепи, что автоматически обеспечивает гальваническую развязку. Необходимость внешнего питания нельзя назвать существенным недостатком, так как в подавляющем большинстве случаев датчик не является оконечным устройством и после него все равно находятся другие компоненты схемы, также требующие электропитания.

Поскольку диапазон измеряемых ЛДХ значений индукции магнитного поля ограничен, при выборе конструкции необходимо правильно определить конфигурацию магнитной цепи датчика. Напряженность поля, создаваемая источником тока, должна соответствовать диапазону измерения ЛДХ.

При измерении тока от нескольких десятков до тысяч ампер датчик Холла может находиться вблизи проводника, без использования дополнительного магнитопровода. Для существующих типов датчиков оптимальной можно считать величину индукции магнитного поля около 100 Гаусс в середине диапазона измерений. Это обеспечит приемлемую чувствительность датчика по уровню выходных шумов. Индукция магнитного поля, создаваемая проводником с током, может быть оценена по известной формуле (в системе СИ):

где r — расстояние между центрами проводника и микросхемы датчика Холла (рис. 11). При выборе положения ЛДХ относительно проводника необходимо учитывать, что наибольшая чувствительность достигается при пересечении линиями магнитного поля плоскости датчика под прямым углом. Данный метод обладает тем недостатком, что любой внешний источник магнитного поля будет влиять на показания датчика тока.

Повысить чувствительность и снизить внешние влияния позволяет тороидальный магнитопровод с зазором, в котором установлена микросхема прецизионного калиброванного ЛДХ типа А1321–А1323 (рис. 12). При этом все поле сосредоточено в зазоре и внешнее влияние практически отсутствует. Индукцию в зазоре можно оценить по соотношению:

Описанный принцип измерения тока реализован в модульных датчиках компании Allegro Microsystems семейства ACS (рис. 13, таблица 2).

Конструкция, показанная на рис. 12, не позволяет измерять малые значения токов. Это связано с ограничением чувствительности ЛДХ по выходному шуму. Так, при использовании микросхемы А1323 разрешение по магнитной индукции, ограниченное шумами в полосе 10 кГц, составляет 10 Гаусс, или около 1,5 А. Существует два выхода: либо использовать ЛДХ с линейным некомпенсированным усилителем, либо применить многовитковую конструкцию (рис. 14). В первом случае, как было показано выше, чувствительность возрастет до 0,06 Гаусс, или около 10 мА. Для обеспечения такой чувствительности в многовитковой конструкции потребуется намотать более 150 витков, что приводит к резкому увеличению индуктивности и может оказаться неприемлемым. Поэтому в каждом конкретном случае приходится идти на компромисс между разрешением датчика и полосой частот. Например, ограничение полосы частот с помощью простейшего RC ФНЧ на выходе ЛДХ А1323 до 1 кГц позволит увеличить разрешение до 0,1 А.

Заключение

Мы рассмотрели два наиболее популярных применения ЛДХ, позволяющих значительно упростить решение широкого круга задач при проектировании аппаратуры систем автоматического регулирования, электропитания и преобразовательной техники. Надеемся, что этот материал будет полезен разработчикам при выборе того или иного технического решения.

Литература

1. Цикл статей, посвященный программируемым аналоговым интегральным схемам Anadigm // Компоненты и технологии. 2005. № 1–9.