Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
1 монета
doc

Реферат «Бесконтактные датчики положения» по Полупроводниковым приборам и структурам (Михайлова О. М.)

Министерство образования и науки РФ

Московский государственный университет печати

Кафедра электротехники и электроники

Дисциплина полупроводниковые приборы и структуры

Доклад:

«Бесконтактные датчики положения »

г. Москва

2010 г. Содержание.

Введение.

В то время как производственный мир становится все более автоматизированным, промышленные датчики играют все большую роль для увеличения продуктивности и безопасности.

В течение двух десятилетий во всех отраслях производства успешно применяются датчики и измерители пути: датчик положения, датчик перемещения. Являясь связующим звеном между электронной и механической частями приборов, датчик перемещения, датчик положения стал неотъемлемым элементом оборудования для автоматизации различных процессов.

Данная работа посвящена бесконтактным датчикам, а именно индуктивным, емкостным и оптическим датчикам. Каждый вид имеет свои сильные и слабые стороны, поэтому в зависимости от условий и требований по применению датчика, выбирают тот или иной тип. Мы расскажем, что такое бесконтактные датчики, поговорим об их преимуществах и примерах использования. В работе мы большое внимание уделили емкостному датчику. Рассмотрели устройства, созданные на основе него.

В настоящей исследовательской работе представлена информация, являющаяся результатом обработки данных о бесконтактных датчиках.

Цель работы: изучить устройства, принцип работы и особенности бесконтактных датчиков, явления, лежащие в основе их работы, применение, выявить их достоинства и недостатки.

Задачей научной работы является получение навыков по сбору и обработке научной и технической информации.

Основная часть.

1. Датчик, общие сведения.

Датчик, сенсор (от англ. sensor) — термин систем управления, первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину в удобный для использования сигнал.

В настоящее время различные датчики широко используются при построении систем автоматизированного управления.

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

Исторически и логически датчики связаны с техникой измерений и измерительными приборами, например термометры, расходомеры, барометры, прибор «авиагоризонт» и т. д. Обобщающий термин датчик укрепился в связи с развитием автоматических систем управления, как элемент обобщенной логической концепции датчик — устройство управления — исполнительное устройство — объект управления. Специальный случай представляет использование датчиков в автоматических системах регистрации параметров, например, в системах научных исследований.

Определения понятия датчик

Широко встречаются два основных значения:

• чувствительный элемент, преобразующий параметры среды в пригодный для технического использования сигнал, обычно электрический, хотя возможно и иной по природе, например — пневматический сигнал;

• законченное изделие на основе указанного выше элемента, включающее, в зависимости от потребности, устройства усиления сигнала, линеаризации, калибровки, аналого-цифрового преобразования и интерфейса для интеграции в системы управления. В этом случае чувствительный элемент датчика сам по себе может называться сенсором.

Эти значения соответствуют практике использования термина производителями датчиков. В первом случае датчик это небольшое, обычно монолитное устройство электронной техники, например, терморезистор, фотодиод и т. п., которое используется для создания более сложных электронных приборов. Во втором случае — это законченный по своей функциональности прибор, подключаемый по одному из известных интерфейсов к системе автоматического управления или регистрации. Например, фотодиоды в матрицах (фото) и др.

В зависимости от вида входной (измеряемой) величины различают:

датчики механических перемещений (линейных и угловых),

-пневматические,

-электрические,

-расходомеры,

-датчики скорости,

-ускорения, -усилия,

-температуры, -давления

и др.

Различают три класса датчиков:

- аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины;

- цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоич-ное слово;

- бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе говоря, 0 или 1); получили широкое распространение благодаря своей простоте.

2. Датчики положения.

Датчик положения (датчик перемещения) — это устройство, предназначенное для определения местоположения объекта, который может находиться в твердой или жидкой форме, а также быть сыпучим веществом.

Датчики положения являются первичными источниками информации для систем автоматики, как на основе релейных или логических схем, так и на базе программируемых контроллеров. Надежность всей системы определяется надежностью элемента, наиболее подверженного воздействию дестабилизирующих факторов.

Датчик положения (датчик перемещения) бывает двух видов: бесконтактный (индуктивные датчики, магнитные, емкостные, ультразвуковые, оптические) и контактный. Основным представителем второго типа является энкодер — устройство, преобразующее угол поворота объекта в сигнал, позволяющий определить этот угол.

По типу выхода датчик положения (датчик перемещения) разделяется на аналоговый, цифровой и дискретный (выключатели).

2.1.Бесконтактные датчики.

Бесконтактные датчики, бесконтактные выключатели — это приборы промышленной автоматизации, предназначенные для контроля положения объектов.

ГОСТом 26430-85 был введён термин «бесконтактный выключатель». Впоследствии ГОСТом Р 50030.5.2-99 термин заменён на «бесконтактный датчик». В настоящее время для данных изделий используются оба термина.

Рис.2.1. Внешний вид бесконтактного датчика

Бесконтактный выключатель (далее ВБ) осуществляет коммутационную операцию при попадании объекта воздействия в зону чувствительности выключателя. Отсутствие механического контакта между воздействующим объектом и чувствительным элементом ВБ обеспечивает высокую надежность его работы

Рис.2.2. Бесконтактный выключатель

Упрощенно, функциональная схема бесконтактного выключателя состоит из трех блоков:

Рис.2.3. Функциональная схема бесконтактного выключателя

При приближении объекта воздействия к активной поверхности чувствительного элемента происходит срабатывание бесконтактного выключателя. При этом коммутационный элемент производит замыкание или размыкание (или выполняет обе указанные операции) в цепях постоянного тока до 400 мА и в цепях переменного тока до 250 мА.

Бесконтактные датчики положения классифицируются по принципу действия чувствительного элемента — индуктивный, оптический, емкостный и др.

Бесконтактные выключатели — это первичные приборы для автоматизации технологического процесса различных отраслей промышленности, таких как

• станкостроение,

• автомобилестроение,

• нефтехимическая промышленность,

• машиностроение,

• пищевая промышленность и пр.

Столь широкая область применения ВБ обусловлена большим количеством возможных технологических решений, реализуемых с их помощью:

• подсчёт количества объектов,

• контроль положения объекта,

• регистрация наличия или отсутствия объекта,

• отбор объектов по их габаритам, цвету и другим физическим свойствам,

• определение скорости,

• определение угла поворота

и многое другое.

2.1.1. Индуктивные датчики.

Индуктивный датчик — бесконтактный датчик предназначенный для бесконтактного получения информации о перемещениях рабочих органов машин, механизмов, роботов и т.п. и преобразования этой информации в электрический сигнал.

Индуктивный датчик распознает и соответственно реагирует на все токопроводящие предметы.

Индуктивные датчики широко используются для решения задач АСУ ТП. Выполняются с нормально разомкнутым или нормально замкнутым контактом.

Принцип действия основан на изменении параметров магнитного поля, создаваемого катушкой индуктивности внутри датчика.

Принцип действия бесконтактного конечного выключателя (ВК) основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в активную зону датчика металлического, магнитного, ферромагнитного или аморфного материала определенных размеров. При подаче питания на конечный выключатель в области его чувствительной поверхности образуется изменяющееся магнитное поле, наводящее во внесенном в зону материале вихревые токи, которые приводят к изменению амплитуды колебаний генератора. В результате вырабатывается аналоговый выходной сигнал, величина которого изменяется от расстояния между датчиком и контролируемым предметом. Триггер преобразует аналоговый сигнал в логический, устанавливая уровень переключения и величину гистерезиса

Структура

Индуктивные бесконтактные выключатели состоят из следующих основных узлов:

Рис.2.4. Устройства индуктивного выключателя

1.Генератор создает электромагнитное поле взаимодействия с объектом.

2. Триггер обеспечивает гистерезис при переключении и необходимую длительность фронтов сигнала управления.

3. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала до необходимого значения.

4. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает контроль работоспособности, оперативность настройки.

5. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

6. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Основные определения.

1. Активная зона

Активная зона бесконтактного индуктивного выключателя — та область перед его чувствительной поверхностью, где более всего сконцентрировано магнитное поле чувствительного элемента датчика. Диаметр этой поверхности приблизительно равен диаметру датчика.

Рис. 2.5. Активной зоны датчика

2.Номинальное расстояние срабатывания

Рис.2.6. Номинальное расстояние переключения

Номинальное расстояние переключения — теоретическая величина, не учитывающая разброс производственных параметров датчика, изменения температуры и напряжения питания.

Номинальное расстояние срабатывания (Sn) — основной параметр датчика, нормируемый для данного типоразмера при номинальном напряжении питания и температуре. Расстояние срабатывание увеличивается с ростом габаритов чувствительного элемента и, соответственно, с ростом габаритов датчика.

Согласно ГОСТ Р 50030.5.2-99 индуктивный датчик должен срабатывать в гарантированном интервале срабатывания, а именно в диапазоне от 0 (то есть от поверхности чувствительной головки датчика) до 81% от заявляемого Sn для стандартизированного стального объекта воздействия.

Интервал срабатывания датчиков объективно зависит от температуры окружающей среды.

Как правило, датчик устанавливается так, чтобы объект воздействия (подвижный элемент конструкции) двигался параллельно чувствительной поверхности устройства.

3.Рабочий зазор Рабочий зазор — это любое расстояние, обеспечивающее надежную работу бесконтактного выключателя в допустимых пределах температуры и напряжения.

4.Поправочный коэффициент рабочего зазора

Поправочный коэффициент дает возможность определить рабочий зазор, который зависит от металла, из которого изготовлен объект воздействия.

Материал Коэффициент

Сталь 40 1,00 Чугун 0,93…1,05

Нержавеющая сталь 0,60…1,00

Алюминий 0,30…0,45

Латунь 0,35…0,50

Медь 0,25…0,45 Различаются датчики утапливаемого исполнения (допускающие установку заподлицо в металл) и неутапливаемого. Во втором случае датчики имеют большее расстояние срабатывания.

На рисунке отображена зависимость выходного сигнала от расстояния до диска.

Рис.2.7. Поперечный датчик приближения зависимость выходного сигнала от расстояния.

2.1.2. Емкостные датчики.

Емкocтный дaтчик, измерительный преобразователь неэлектрических величин (уровня жидкости, механические усилия, давления, влажности и др.) в значения электрической ёмкости. Конструктивно емкостный датчик представляет собой конденсатор электрический плоскопараллельный или цилиндрический.

Принцип действия емкостных бесконтактных выключателей

Емкостные датчики имеют чувствительный элемент в виде вынесенных к активной поверхности пластин конденсатора.

Принцип действия емкостных сенсоров основывается либо на изменении геометрии конденсатора (т.е. на изменении расстояния между пластинами), либо на изменении емкости за счет размещения между пластинами различных материалов: электропроводных или диэлектрических. Изменения емкости, как правило, преобразуются в переменный электрический сигнал.

Принцип действия основан на зависимости электрической емкости конденсатора от размеров, взаимного расположения его обкладок и от диэлектрической проницаемости среды между ними.

Для двухобкладочного плоского конденсатора электрическая емкость определяется выражением:

С = e0eS/d где e0 - диэлектрическая постоянная; e - относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками; S - активная площадь обкладок; d - расстояние между обкладками конденсатора.

Зависимости C(S) и C(d) используют для преобразования механических перемещений в изменение емкости.

Приближение объекта из любого материала к активной поверхности ведет к изменению емкости конденсатора, параметров генератора и в конечном итоге к переключению коммутационного элемента.

Устройство и принципы работы емкостного датчика

Рис. 2.8. Устройство емкостного датчика

Емкocтный бecконтактный датчик функционирует следующим образом:

1. Генератор обеспечивает электрическое поле взаимодействия с объектом.

2. Демодулятор преобразует изменение амплитуды высокочастотных колебаний генератора в изменение постоянного напряжения.

3. Триггер обеспечивает необходимую крутизну фронта сигнала переключения и значение гистерезиса.

4. Усилитель увеличивает выходной сигнал до необходимого значения.

5. Светодиодный индикатор показывает состояние выключателя, обеспечивает работоспособности, оперативность настройки.

6. Компаунд обеспечивает необходимую степень защиты от проникновения твердых частиц и воды.

7. Корпус обеспечивает монтаж выключателя, защищает от механических воздействий. Выполняется из латуни или полиамида, комплектуется метизными изделиями.

Активная поверхность емкостного бесконтактного датчика образована двумя металлическими электродами, которые можно представить как обкладки "развернутого" конденсатора (см. рис.). Электроды включены в цепь обратной связи высокочастотного автогенератора, настроенного таким образом, что при отсутствии объекта вблизи активной поверхности он не генерирует. При приближении к активной поверхности емкостного бесконтактного датчика объект попадает в электрическое поле и изменяет емкость обратной связи. Генератор начинает вырабатывать колебания, амплитуда которых возрастает по мере приближения объекта. Амплитуда оценивается последующей схемой обработки, формирующей выходной сигнал. Емкостные бесконтактные датчики срабатывают как от электропроводящих объектов, так и от диэлектриков. При воздействии объектов из электропроводящих материалов реальное расстояние срабатывания Sr максимально, а при воздействии объектов из диэлектрических материалов расстояние Sr уменьшается в зависимости от диэлектрической проницаемости материала er (см. график зависимости Sr от er и таблицу диэлектрической проницаемости материалов). При работе с объектами из различных материалов, с разной диэлектрической проницаемостью, необходимо пользоваться графиком зависимости Sr от er. Номинальное расстояние срабатывания (Sn) и гарантированный интервал воздействия (Sa), указанные в технических характеристиках выключателей, относятся к заземленному металлическому объекту воздействия (Sr=100%). Соотношение для определения реального расстояния срабатывания (Sr): 0,9 Sn

Показать полностью…
Похожие документы в приложении