Датчики. Классификация датчиков, основные требования к ним

рис 2.1. Пирометр                                                                      рис 2.2. Тепловизер

Бесконтактные датчики температуры применяют там, где затруднен доступ к измеряемых деталей, а также необходима мобильность и малая инерционность измерений. Кроме того, бесконтактные датчики температуры незаменимы там, где необходимо измерять высокие температуры – от 1500 до 30000С. До особого вида ИК-датчиков температуры можно отнести ИК-камеры, позволяющие получить картину распределения температуры на поверхности измеряемого объекта. Современные технологии позволяют создать недорогие камеры без охлаждаемых и подвижных частей. Например, прибор ThermoView Ti30 производства Raytek, воспроизводящий изображения в ИК-спектре с разрешением 160 х 160 точек и точностью 2% при температуре в диапазоне от 0 до 2500С. Прибор имеет собственную память изображений и USB-порт для передачи файлов в компьютер.

Рис 2.3. Принцип измерения температуры пирометром.

Интересны также модели бесконтактных датчиков температуры, разработанные для измерения температуры прозрачных объектов – стекла и пластиковой пленки, датчики для работы в запыленном или задымленном среде, датчики для измерения температуры пищевых продуктов в холодильных камерах.

Контактные датчики температуры – это прежде всего термопары и термосопротивления. Основным преимуществом этого типа датчиков является высокая точность измерения и их относительная дешевизна. Наибольшее применение получили термопары хромель-копель и хромель-алюмель. Эти типы термопар обеспечивают высокую точность и стабильность измерений в широком диапазоне температур.

Измерение температуры термосопротивления основывается на том, что такие материалы, как полупроводники и металлы изменяют свой электрическое сопротивление с изменением температуры. Полупроводниковые термосопротивления (обычно их называют термисторы), имеют среднюю точность и стабильность показаний, однако такие датчики весьма дешевы и применяются там, где отсутствует необходимость в высокой точности измерений. Термосопротивления же с металлическим чувствительным элементом обеспечивают высокую точность и стабильность измерений. Как металлы для термосопротивлений используют платину, медь, реже никель.

Принцип измерения кремниевыми датчиками температуры основан на том, что кремний как полупроводник в значительной мере меняет свое сопротивление с температурой. Поскольку кремний также применяется для производства интегральных микросхем, то такие датчики температуры могут иметь схемы усиления и обработки сигнала, схемы цифровых интерфейсов, что позволяет прямо подсоединить датчик к компьютеру или микропроцессора.

3. Энкодеры. Устройство и принцип работы

Энкодер (преобразователь угловых перемещений) - устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Широко применяются в промышленности.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения.

Инкрементальный энкодер выдает за один оборот определенное количество импульсов. А абсолютные энкодеры позволяют в любой момент времени знать текущий угол поворота оси, в том числе и после пропадания и восстановления питания. А многооборотные абсолютные энкодеры, кроме того, также подсчитывают и запоминают количество полных оборотов оси.

Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Преобразователи угол-код практически полностью вытеснили применение сельсинов.

3.1. Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

В инкрементных энкодерах используют конструкцию, аналогичную показанной на рис. 3.1, однако счетный диск имеет, как правило, лишь одну дорожку, на которой прозрачные и непрозрачные участки чередуются. И соответственно вместо линейки фотодетекторов используют лишь 1 или 2 фотодетектора – в зависимости от того, возможно вращение диска лишь в одном или в обоих направлениях. На рис. 3.1,а показано взаимное расположение счетного диска 1, блока фотодетекторов 2 и светового зонда 3 от светодиода. Если диск 1 может вращаться лишь в одном направлении, то достаточно одного фотодетектора. На выходе сенсора будет формироваться последовательность импульсов с периодом, обратно пропорциональным скорости вращения диска. Появление следующего импульса свидетельствует о повороте диска на угол 360°/, где – количество пар непрозрачных и прозрачных участков на диске.

Рис. 3.1.  К объяснению принципа действия инкрементного энкодера

Если диск может вращаться в обоих направлениях, и информация об этом важна, то блок 2 состоит из двух фотодетекторов 4 и 5, размещенных вдоль дорожки на расстоянии меньше, чем ширина прозрачного или непрозрачного участка. Выход сенсора в этом случае является двухканальным. На выходе А формируются импульсы от фотодетектора 4, а на выходе Б – от фотодетектора 5. Если диск 1 вращается против часовой стрелки, то импульсы на выходе А появляются чуть раньше, чем импульсы на выходе Б (рис. 3.1, б). При вращении диска по часовой стрелке порядок появления импульсов – обратный (рис. 3.1, в).

Иногда на счетном диске делают дополнительное прозрачное окошко на соседней дорожке (одно на всю дорожку) и ставят еще один фотодетектор, сигнал от которого выводят на дополнительный канал синхронизации. Этот канал используют для фиксации начала отсчета и для компенсации погрешностей, которые могут накапливаться при большом числе оборотов.

Для механического соединения вала углового энкодера с контролируемым механизмом используют специальные соединители, которые, с одной стороны, точно передают поворот практически без люфта, и вместе с тем, благодаря гибкости, гасят биения валов как поперек, так и вдоль оси вращения. Это требуется для защиты прецизионных подшипников и оптоэлектронных деталей.

На рис. 3.2 показаны примеры абсолютных и инкрементных энкодеров, которые выпускаются промышленностью.

Рис. 3.2.  Некоторые промышленные абсолютные и инкрементные энкодеры

Их внешний диаметр составляет 50-60 мм, количество импульсов, которые выдаются за один полный оборот – от 2 до 32768, максимальная рабочая скорость вращения – от 3000 об./мин до 12000 об./мин.

3.2. Абсолютные энкодеры

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Абсолютный энкодер относится к типу энкодеров, который выполняет уникальный код для каждой позиции вала. В отличие от инкрементного энкодера, счетчик импульсов не нужен, т.к. угол поворота всегда известен. Абсолютный энкодер формирует сигнал как во время вращения, так и в режиме покоя. Диск абсолютного энкодера отличается от диска пошагового энкодера, так как имеет несколько концентрических дорожек. Каждой дорожкой формируется уникальный двоичный код для конкретной позиции вала.

рис 3.3. Конструкция и принцип действия абсолютного энкодера

Рис 3.4. Кодовый диск абсолютного энкодера

   Абсолютный энкодер не теряет своего значения при потере питания и не требует возвращения в начальную позицию. Сигнал абсолютного энкодера не подвержен помехам и для него не требуется точная установка вала. Кроме того, даже если кодированный сигнал не может быть прочитан энкодером если, например, вал вращается слишком быстро, правильный угол вращения будет зарегистрирован, когда скорость вращения уменьшится. Абсолютный энкодер устойчив к вибрациям.

3.3. Двоичный код

   Двоичный код - это широкораспространенный код, который может обрабатываться непосредственно микропроцессором и является основным кодом для обработки цифровых сигналов. Двоичный код состоит только из 0 и 1.

   Построение ДК осуществляется по следующему принципу:

   Таким образом выглядит в данном случае число 10 в двоичном коде.

   Наибольшее число, которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от количества используемых разрядов, т.е. от количества битов в комбинации, выражающей число. Например, для выражения числовых значений от 0 до 7 достаточно иметь 3-разрядный или 3-битовый код:

   Отсюда видно, что для числа больше 7 при 3-разрядном коде уже нет кодовых комбинаций из 0 и 1. Переходя от чисел к физическим величинам сформулируем вышеприведенное утверждение в более общем виде: наибольшее количество значений m какой-либо величины (угла поворота, напряжения, тока и др.), которое может быть выражено двоичным кодом, зависит от числа используемых разрядов n как m =2 n . Если n =3, как в рассмотренном примере, то получим 8 значений, включая ведущий 0. Двоичный код является многошаговым кодом. Это означает, что при переходе с одного положения (значения) в другое могут изменяться несколько бит одновременно. Например, число 3 в двоичном коде = 011. Число же 4 в двоичном коде = 100. Соответственно, при переходе от 3 к 4 меняют свое состояние на противоположное все 3 бита одновременно. Считывание такого кода с кодового диска привело бы к тому, что из-за неизбежных отклонений (толеранцев) при производстве кодового диска изменение информации от каждой из дорожек в отдельности никогда не произойдет одновременно. Это, в свою очередь, привело бы к тому, что при переходе от одного числа к другому кратковременно будет выдана неверная информация. Так при вышеупомянутом переходе от числа 3 к числу 4 очень вероятна кратковременная выдача числа 7, когда, например, старший бит во время перехода поменял свое значение немного раньше чем остальные. Таким образом, использование обычного двоичного кода может привести к большим погрешностям, так как две соседние кодовые комбинации могут отличаться друг от друга не в одном, а в нескольких разрядах. Чтобы избежать этого применяется так называемый одношаговый код, например, так называемый Грей-код.

3.4. Код Грея

   Код Грея предпочтительнее обычного двоичного тем, что обладает свойством непрерывности бинарной комбинации: изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде. Он строится на базе двоичного по следующему правилу: старший разряд остается без изменения; каждый последующий разряд инвертируется, если предыдущий разряд исходного двоичного кода равен единице. Этот алгоритм построения может быть формально представлен как результат сложения по модулю два исходной комбинации двоичного кода с такой же комбинацией, но сдвинутой на один разряд вправо. При этом крайний правый разряд сдвинутой комбинации отбрасывается.

   Таким образом, Грей-код является так называемым одношаговым кодом, т.к. при переходе от одного числа к другому всегда меняется лишь какой-то один бит. Погрешность при считывании информации с механического кодового диска при переходе от одного числа к другому приведет лишь к тому, что переход от одного положения к другом будет лишь несколько смещен по времени, однако выдача совершенно неверного значения углового положения при переходе от одного положения к другому полностью исключается. Преимуществом Грей-кода является также его способность зеркального отображения информации. Так, инвертируя старший бит можно простым образом менять направление счета и, таким образом, подбирать к фактическому (физическому) направлению вращения оси. Изменение направления счета может легко изменяться, управляя так называемым входом " Complement ". Выдаваемое значение может быть возврастающим или спадающим при одном и том же физическом направлении вращения оси.

   Поскольку информация, выраженная в Грей-коде, имеет чисто кодированный характер не несущей реальной числовой информации, должен он перед дальнейшей обработкой сперва преобразован в стандартный бинарный код. Осуществляется это при помощи преобразователя кода (декодера Грей-Бинар), который к счастью легко реализируется с помощью цепи из логических элементов «исключающее или» ( XOR ) как программным, так и аппаратным способом (см. схему ниже).

   Из таблицы видно, что при переходе от одного числа к другому (соседнему) лишь один бит информации меняет свое состояние, если число представлено кодом Грея, в то время, как в двоичном коде могут поменять свое состояние несколько бит одновременно. Код Грея - выход, следовательно, он никогда не имеет ошибку чтения и применяется во многих абсолютных энкодерах.

   Биты меняющие свое состояние, при переходе от одного числа к другому, обозначены красным цветом.

   Используйте такую схему для преобразования Кода Грея в двоичный код.