Датчики измерения перемещений

Датчиком перемещения называется устройство, воспринимающее контролируемое перемещение объекта и преобразующее его в выходной сигнал, удобный для дальнейшей обработ­ки, хранения или передачи по каналу связи. Существует 2 основных мето­да определения измерения перемещения: 1) дат­чик вырабатывает сигнал, который является функцией положения одной из его частей, связанной с подвижным объектом, а изменение этого сигнала характеризует перемещение объекта (абсолютные) 2) перемещение объек­та рассматривается как совокупность элементарных перемещений, причем датчик формирует импульс, соответствующий каждому элементарному пе­ремещению (относительные). Таким образом, перемещение объекта определяется суммой импульсов датчика.

К ДП мехатронных систем предъявляют следующие требования:

• полная погрешность не более 1 %;

• время установления не более 0,01 с;

• надежность не менее 0,9;

• высокая помехоустойчивость;

• хорошая технологичность;

• низкая стоимость.

Датчики подразделяют на следующие группы:

1) по измеряемому параметру — линейные и угловые (поворотные);.

2) по принципу действия — резистивные, электромагнитные, фотоэлектрические (оптоэлектронные) и электростатические (емкостные);

3)
по структуре построения — последовательные, дифференциальные и компенсационные или уравновешиваемые;

4) по характеру изменения выходного сигнала — непрерывные (ампли­тудные, частотные, фазовые) и дискретные (амплитудно-, частотно- и кодоимпульсные);

5) по принципу считывания сигналов — абсолютные и относительные.

 

Гироскопы.

Гироско́п— устройство, способное измерять изменение углов ориентации связанного с ним тела относительно инерциальной системы координат, как правило основанное на законе сохранения вращательного момента (момента импульса).

Схема простейшего механического гироскопа в карданном подвесе

Классификация

Основные типы гироскопов по количеству степеней свободы:

2-степенные, 3-степенные.

Основные два типа гироскопов по принципу действия:

механические гироскопы(роторный и вибрационный), оптические гироскопы(волоконно-оптические и лазерные).

По режиму действия гироскопы делятся на:

датчики угловой скорости, указатели направления.

Cв-во Г. Заключается в том, что ось его кинет. момента сохраняет неизменное направление в неподвижном состоянии и величина его постоянна (при поддержании скорости).

Прецессия гироскопа-следствие момента Кариолисовых сил инерции, возникающих при приложении к нему момента сил, стремящихся изменить положение главной оси вращения гироскопа.

Применение. Гироскоп чаще всего применяется как чувствительный элемент указывающих гироскопических приборов и как датчик угла поворота или угловой скорости для устройств автоматического управления. В некоторых случаях, например в гиростабилизаторах, гироскопы используются как генераторы момента силы или энергии.

Основные области применения гироскопов – судоходство, авиация и космонавтика

Манометрические приборы

Приборы, использующие в качестве чувствительного преобразователя, преобразователь давления относится к манометрическим приборам или датчикам давления.

Все манометры можно разделить на манометры абсолютного давления (а) и манометры относительного давления (б) (дифманометры).

Рис. Схемы манометров абсолютного и относительного давления.

Дифманометры измеряют DР = Р₂ - Р₁ .

С помощью манометрических приборов измеряется давление водной среды или воздуха, жидкостей или газов. Изгиб мембраны или анероидной коробки может преобразовываться непосредственно в отклонение стрелки относительно шкалы с помощью механического рычажного механизма или в электрический сигнал с помощью рычажного механизма и потенциометра, с помощью пьезокерамических элементов, тензодатчиков, индуктивных преобразователей, струнных полупроводниковых преобразователей.

Рассмотрим чувствительные преобразователи манометрических приборов, т.е. мембраны и анероидные коробки.

Мембраной называется тонкая круговая пластинка, закрепленная по наружному контуру. Мембраны имеют гофры 1 и жесткий центр 2.

Рис. Схема прогиба мембраны

 

В общем случае характеристика мембраны l₀ = f(p) нелинейная. Наибольшее влияние на характеристику оказывает толщина материала и глубина гофра. С увеличением толщины материала увеличивается жесткость мембраны и возрастает нелинейность характеристики. При увеличении глубины гофра увеличивается начальная жесткость мембраны, т.е. жесткость при малых прогибах, и выпрямляется ее характеристика. Изменение формы и числа гофров при постоянной их глубине влияет на характеристику мембраны значительно меньше.

Гофры бывают следующих форм:

Синусоидальная форма. Трапецеидальная форма.

Плоско-дуговая форма.

Пильчатая форма. Переменная по глубине.

Переменная по глубине используется для получения l₀ = f(p) по заданному закону.

Мембрана может иметь краевой гофр, т.е. крайний гофр, который отличается своими размерами и формой от остальных гофров. Введение краевого гофра увеличивает общий прогиб мембраны примерно в 3 – 3,5 раза и резко меняет ее характеристику.

 

 

6. Преобразование измерительных сигналов.

Для того, чтобы исходный сигнал стал измерительным, необходимо один из его параметров связать функциональной зависимостью с измеряемой физической величиной. Параметр сигнала, выбранный в качестве такового, называется информативным, а все остальные параметры — неинформативными. Процесс преобразования исходного сигнала в измерительный (то есть преобразование одного из параметров исходного сигнала, генерируемого некоторым источником, в информативный параметр), называется модуляцией. В зависимости от вида модуляции измерительные сигналы можно классифицировать следующим образом:

1. Сигналы постоянного уровня. Характеризуются лишь одним параметром и поэтому могут быть модулированы только по уровню. Уровень сигнала является при этом мерой измеряемой величины.

2. Синусоидальные сигналы. Могут быть модулированы по амплитуде, фазе или частоте. В зависимости от того, какой из этих параметров сигнала является мерой измеряемой величины, говорят об амплитудио-модулированных, фазо-моду-лированных или частотно-модулированных сигналах.

В зависимости от характера изменения информативного параметра сигнала по уровню и во времени измерительные сигналы подразделяются на:

· непрерывные по уровню, или аналоговые, если их информативный параметр может принимать любые значения в заданном диапазоне;

· дискретные, или квантованные по уровню, если их информативный параметр может принимать лишь некоторое ограниченное число значений в пределах заданного интервала;

· непрерывные во времени, если они существуют в течение всего времени измерения и в любой момент может быть выведен на регистрацию;

· дискретизироваиные, или квантованные по времени, если они несут информацию о значении измеряемой физической величины лишь в течение некоторых промежутков времени. К этой группе относятся, например, все виды импульсно-модулированных сигналов.

Измерительными преобразователями называются средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи делятся на:

1. преобразователи электрических величин в электрические, например, шунты, делители напряжения, трансформаторы напряжения и тока, измерительные усилители, выпрямители;

2. преобразователи неэлектрических величин в электрические, (терморезисторы, тензорезисторы, емкостные и индуктивные преобразователи и др.).

 

Методы измерений

· Метод непосредственной оценки — метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

· Метод сравнения с мерой — метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

· Нулевой метод измерений — метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

· Метод измерений замещением — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

· Метод измерений дополнением — метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

· Дифференциальный метод измерений — метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

 

На практике при измерении физических величин применяются электрические методы и неэлектрические (например, пневматические, меха, химические и др.).

Электрические методы измерений получили наиболее широкое распространение, так как с их помощью достаточно просто осуществлять передачу, обработку, хранение, представление и ввод информации в ЭВМ.

 

 

8 Следящий электропривод. Тахогенератор

Следящий электропривод - это система, обеспечивающая воспроизведение механических перемещений на управляемом объекте посредством исполнительного электродвигателя (ИЭ). Следящий электропривод включает в себя задающее устройство(ЗУ), измерительный преобразователь, орган сравнения(ОС), усилитель и ИЭ. ЗУ вырабатывает исходный сигнал. Измерительный преобразователь непрерывно измеряет фактическое значение воспроизводимой величины на управляемом объекте, которое при помощи ОС сопоставляется с заданным. Измерительный преобразователь и орган сравнения объединены в одном устройстве, вырабатывающем электрический сигнал рассогласования (СР),который (в виде напряжения или тока) поступает на вход усилителя, а затем на ИЭ, осуществляющий такое движение управляемого объекта, при котором СР уменьшается. В отсутствие СР ротор электродвигателя покоится.

Различают следящий электропривод с непрерывным и дискретным управлением. Особенностью первого является непрерывное регулирование напряжения ИЭ в функции СР. С дискретным управлением подразделяются на релейные и импульсные. В релейных в качестве усилителя используют бесконтактные реле, которые при определённой величине СР включают ИЭ на полную мощность. В импульсных -включение ИЭ осуществляется периодически управляющими импульсами тока,

Задаваемой величиной является угол поворота входного вала, а регулируемой — угол поворота выходного вала. В качестве измерительных преобразователей наибольшее распространение получили потенциометры и индукционные машины переменного тока.

Тахогенератор — измерительный генератор постоянного или переменного напряжения для преобразования мгновенного значения частоты вращения вала в электрический сигнал. Сгенерированный сигнал подаётся для непосредственного отображения на тахометре, либо на вход автоматических устройств, отслеживающих частоту вращения. Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока — небольшие коллекторные машины, поток возбуждения в которых создаётся постоянным магнитом или независимой обмоткой. Тахогенераторы синхронного типа представляют собой небольшие синхронные машины с постоянным магнитом в качестве ротора. Достоинство: пара тахогенератор — тахометр не требует дополнительных источников питания, проста и достаточно надёжна в работе.

Недостатки: 1)не могут измерять очень медленное вращение — получающийся сигнал чересчур мал 2)создаёт дополнительную нагрузку на вращающийся вал и содержит трущиеся детали, требующие регулярного ухода.

 

Системы технического зрения

Назначение систем технического (машинного) зрения - принятие решений о характеристиках реальных физических объектов и сцен, основываясь на воспринимаемых изображениях.

Задачи технического зрения:

-обнаружение и распознавание объектов в кадре;

-измерение геометрических параметров объектов;

-восстановление формы;

-поиск характерных изображений;

-определение взаимного расположения объектов;

-оптическое распознавание знаков;

-определение движения;

-слежение за характерным изображением;

Базовыми элементами любой СТЗ являются:

-система подсветки;

-камера или набор камер с оптикой специфичной к конкретной задаче;

-устройство преобразования видеоинформации (фреймграббер, сигнальный процессор);

-устройство обработки и отображения (ПК, программируемые логические контроллеры ПЛК);

-система калибровки и проверки;

На сегодняшний день СТЗ активно используются в метрологии, автомобилестроении, электронике,медицине и фармацевтике, машиностроении,металлургии, робототехнике, при лабораторных испытаниях.