Датчики углового и линейного перемещения

Датчики угла поворота

Датчик угла. Представляет собой преобразователь угловой координаты в электрическое напряжение. Часто их используют для измерения угла поворота исполнительного вала.

Датчик углового рассогласования. Преобразует разность углов, например, заданного и фактического углов поворота исполнительного вала в эл. напряжение. В качестве датчиков угла и рассогласования широко применяются аналоговые элементы – сельсины и вращающиеся трансформаторы.

Недостатком аналоговых датчиков является невысокая точность и ограниченный диапазон изменения угла.

Цифровые датчики угла обеспечивают измерение углов в больших диапазонах и с высокой точностью. Их выходной величиной является число N обычно в двоичной системе счисления, представленное с помощью дискретных электрических сигналов. Требуемая точность достигается числом разрядов датчика.

Различают абсолютные и относительные датчики угла.

Относительные (или инкрементные) датчики измеряют приращение угла поворота вала относительно нулевого положения. Конструкция состоит из кодового диска и считывающего устройства, обычно оптопары.

Наиболее широкое применение получили датчики с фотоэлектрическим импульсным преобразователем. Преобразователь датчика вырабатывает 2 серии импульсов, сдвинутые по фазе на π/2, что необходимо для определения знака угла поворота. На двух дорожках кодового диска расположены пропускающие свет щели. В каждом канале свет от светодиода СД через щель попадает на фотодиод ФД, который открывается и появляется ток J_ФД. Он усиливается усилителем УС. Триггеры Шмитта ТШ формируют на выходе прямоугольные импульсы U₁ и U₂ с постоянной амплитудой, сдвинутые по фазе на π/2.

Выделение импульсов из каналов преобразователя для положительного f_ω или отрицательного f _–ω направления скорости осуществляется логическим узлом ЛУ.

Счетчик СИ, получая сигналы f_ω (f – ω) от ЛУ, считает число импульсов N. Угол поворота α = α₀ N,

где α₀ – угол между соседними щелями одной дорожки.

Достоинства инкрементных датчиков: простая и дешевая конструкция, измерение углов в неограниченном диапазоне, высокая точность.

Недостатки: зависимость показаний от напряжения питания, при исчезновении последнего они сбрасываются.

Абсолютные ЦДУ в общем случае состоят из кодирующего элемента КЭ (диск, барабан) и считывающего устройства СУ на электронных элементах. На диск наносится кодовая маска (рисунок), которая представляет собой определенным образом расположенные на нем токопроводящие и непроводящие участки. Считывающее устройство содержит контактные щетки.

Кодовый диск состоит из трех концентрических колец, кольцо с минимальным радиусом имеет 2 участка, относится к старшему разряду выходного числа, кольцо с максимальным радиусом имеет 2ⁿ участков, где n – разрядность схемы считывания (у нас 3). В каждом последующем от центра кольце число участков удваивается, что соответствует в двоичном коде переходу от одного разряда к другому. Напряжение подводится через внешнее кольцо. Если щетки на токопроводящем участке, то – «1», если нет, то «0».

На границе смены участков из-за конечной ширины щеток и неточной их установки по одной прямой появляется неоднозначность считывания. Для её устранения применяют для каждого разряда, кроме младшего, две щетки, симметрично сдвинутые относительно линии считывания. Выбор щетки для считывания (i +1) разряда выполняет логическая схема в зависимости от значения i – го разряда. Со второй дорожки (i =1) считывание осуществляется от щетки Щ₂ при а₀ = 0 и от Щ₂” – при а₀ = 1. Для большей точности обычно используется код Грея.

Любому углу поворота диска соответствует комбинация из «0» и «1» на выходе датчика. Для трехразрядного датчика код числа имеет структуру а₂ а₁ а₀, изменяется от значения 000 до 111, что в десятичной системе соответствует числам от 0 до 7.

Шаг измерения равен ΔΘ = 360/2ⁿ.

В пределах ΔΘ датчик не реагирует на изменение входной величины Θ. Характеристика имеет ступенчатый вид. Абсолютная погрешность, вызванная дискретностью измерения равна δ = ΔΘ/2.

Достоинства абсолютных датчиков: независимость показаний от напряжения питания, направление поворота определяется надежнее.

Недостатки: более сложная и дорогая конструкция, измерение углов в диапазоне до 360 ⁰.