logo
[ЭВМиПО]Часть 3

Датчики

У них имеются следующие характеристики:

  1. зависимость выхода от входа, например, в нагревателе использован датчик температуры с коэффициентом передачи К= 0,05 вольта на градус С или К=0,05 В/оС; наличие постоянного коэффициента передачи называют термином «линейность», что соответствует графику зависимости в виде прямой линии;

  2. точность преобразования входной величины в выходную;

  3. время преобразования;

  4. способ установки датчика на объекте управления;

  5. обычные характеристики устройства – надежность, размеры, масса, стоимость.

В отличие от исполнительных элементов, которых по типу сравнительно немного, датчиков существует великое множество. Поэтому их желательно классифицировать по различным признакам:

  1. воспринимаемой на входе физической величине, которая совпадает с управляемым параметром объекта управления; например при управлении температурой эта величина воспринимается на входе; выходная величина, как правило, - электрический сигнал в виде напряжения или тока;

  2. типу сигнала на выходе – аналоговый или дискретный, последний может быть цифровым, как у любого цифрового (двоичного) устройства, например ЭВМ;

  3. физическому принципу работы, обычно физическому явлению, используемому для преобразования входной величины в электрическую.

У всех датчиков существуют общие требования к их работе:

  1. способность работы в условиях объекта управления, а эти условия часто бывают неблагоприятными, например, конечный выключатель обливается смазывающе-охлаждающей жидкостью в зоне резания металла на станке, на него падает металлическая стружка и т.д;

  2. удобное и надежное крепление на объекте управления и электрическое соединение с системой управления;

  3. высокая надежность работы, достоверность;

  4. обеспечение требуемой точности в течение длительного времени, как у измерительных приборов;

  5. датчик не должен сам искажать состояние объекта управления, например не должен его нагревать.

A good sensor obeys the following rules [1]:

Ideal sensors are designed to be linear. The output signal of such a sensor is linearly proportional to the value of the measured property. The sensitivity is then defined as the ratio between output signal and measured property. For example, if a sensor measures temperature and has a voltage output, the sensitivity is a constant with the unit [V/K]; this sensor is linear because the ratio is constant at all points of measurement.

Очень большой класс датчиков называется: «датчик приближения», или «бесконтактный выключатель», или «сенсор». Эти датчики дают на выходе одну логическую величину (один разряд «0 или 1») в зависимости от наличия или отсутствия материального тела около датчика, наличия или отсутствия света, магнитного поля и т.д. Например, на рис.1 такой датчик используется в качестве конечного выключателя.

Упрощенную схему такого датчика можно представить [12]:

Чувствительный элемент - Схема преобразования - Узел коммутации

Движущийся объект или элемент, входя в зону чувствительности бесконтактного выключателя, вызывает его срабатывание. Узел коммутации может подавать сигнал на вход контроллера, обмотку реле, пускателя или другую нагрузку. Отсутствие механического контакта между взаимодействующим объектом и чувствительным элементом, а также электронная коммутация нагрузки обеспечивают надежность работы бесконтактного выключателя. В зависимости от вида чувствительного элемента эти выключатели подразделяются на индуктивные, емкостные, оптические и ультразвуковые. На рис. показан пример различных бесконтактных выключателей.

Рисунок . Бесконтактные выключатели

В автоматизированном электроприводе традиционно используются датчики частоты вращения, называемые «тахогенераторами». Они представляют собой небольшую машину постоянного тока, которая механически соединена с выходным валом привода и дает на своем выходе напряжение, пропорциональное частоте вращения, как видно из (1). С внедрением цифровых систем стали использоваться импульсные (инкрементные) и кодовые датчики угла поворота (см. приложение «Датчики»).

Импульсный датчик представляет собой диск с радиальными прорезями пересекающими тонкий луч света. Каждая прорезь дает импульс света на фотоэлемент, который преобразует его в электрический импульс. Счетчик этих импульсов накапливает текущее значение угла поворота. Если вал вращается в обе стороны, то учитывается направление вращения и используется реверсивный счетчик импульсов: импульсы в положительном направлении вращения подаются на вход +1 счетчика (инкремент), импульсы в отрицательном направлении вращения подаются на вход -1 (декремент). Частота импульсов дает частоту вращения вала.

Диск кодового датчика представляет собой фотомаску с концентрическими кругами прозрачных и темных участков. Каждый круг соответствует одному двоичному разряду кода, например кода Грея. В этом коде соседние значения отличаются только по одному разряду, чтобы избежать известного явления гонок. Это код затем может преобразовываться в двоичное число угла поворота или частоты вращения.

Датчики могут быть и очень простыми, и очень сложными. Например, простейшая цепь обратной связи усилителя на двух резисторах датчиком называть не принято. С другой стороны, есть датчики, которые содержат в своем составе микро-ЭВМ и сетевой адаптер для подключения к компьютерной сети, например, некоторые оптические датчики фирмы Turck[13].