Магнитострикционные датчики линейных перемещений - VISTAGRUP.RU

Магнитострикционные датчики линейных перемещений

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Micropulse и Temposonics

Магнитострикционные преобразователи линейных перемещений или, как их еще называют: измерители пути, датчики линейного положения и т.п. получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности для автоматизации производственных процессов. Определение положение объекта, движущегося вдоль одной оси – очень часто встречающаяся задача в автоматизации. При этом, положение необходимо чаще всего определять в самых тяжелых условиях эксплуатации: постоянной вибрации, ударных нагрузках, при высоком давлении, низких или высоких температурах, высокой влажности. Деревообрабатывающие станки, гидроцилиндры, инжекционное литье, термопластавтоматы, резка различных материалов, подвижная техника – вот неполный перечень конкретных примеров применения датчиков преобразователей линейных перемещений. И под все эти варианты прекрасно подходят измерители, функционирующие на магнитострикционном принципе измерения. На сегодня, самыми популярными на рынке являются датчики линейных перемещений от компаний Balluff (Германия), бренд Micropulse, Novotechnik (Германия) и MTS Sensors (США), бренд Temposonics. Как они работают, расскажем доступным языком в нашей статье ниже.

Основой принципа магнитострикции являются магнитомеханические свойства ферромагнитных материалов: железо, никель, кобальт, а так же их сплавов. При нахождении ферромагнетика в магнитном поле, оно вызывает микроскопическую деформацию его структуры, приводящее к изменению физических размеров ферромагнетика. Это является следствием структуры ферромагнитного материала, проще говоря, он состоит из огромного количества микроскопических элементарных магнитов, которые стремятся установиться параллельно друг другу в пределах ограниченных областей, так называемых «доменах». В обычном состоянии направление доменов хаотично, однако, при наложении магнитного поля они выстраиваются по его направлению и выравниваются параллельно друг другу. При этом, возникают собственные магнитные поля, которые могут превосходить внешнее магнитное поле в сотни раз. Вышеописанное приводит к тому, что если стержень из ферромагнитного сплава поместить в магнитное поле параллельное его оси, то стержень получит механическую деформацию, вследствие которой возникнет удлинение. Надо понимать, что на самом деле это удлинение очень мало (см. рисунок 1), однако, его возможно зарегистрировать. Кроме того, создавая специальные ферромагнитные сплавы и прилагая к ним постоянные направленные магнитные поля можно оптимизировать и управлять магнитострикционным эффектом.

Теперь мы подошли вплотную к тому, что происходит в датчиках преобразователях линейных перемещений, таких как Temposonics или Micropulse. В данных измерителях пути применяется эффект Видемана, который описывает механическую деформацию ферромагнитного стержня, находящегося под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего, создаваемого проводником, по которому протекает электрический ток. В магнитострикционных датчиках линейных перемещений MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создается специальным позиционным магнитом, которое при пересечении с внутренним концентрическим магнитным полем, создаваемым электрическим током, вызывает механическую деформацию в небольшой области измерительного элемента в форме стержня. Так же используется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика, например, намагниченности ферромагнитного бруска, которое вызывается продольной деформацией.

Физика процесса, изложенная выше, должна превратиться в надежную измерительную систему. И после долгих поисков и испытаний, магнитострикционные датчики получили общую конструкцию, схематично представленные на рисунке №3. Преобразователи линейных перемещений имеют несколько основных частей:

-измерительный элемент в виде волновода;
-блок электроники;
-позиционный магнит;
-преобразователь торсионного импульса;
-демпфер в конце стержня, в которой происходит гашение второй части торсионного импульса.

Измерительным элементом является ферромагнитный волновод, по которому распространяется торсионная ультразвуковая волна, детектируемая преобразователем торсионного импульса. Позиция объекта измерения определяется положением постоянного магнита, который окружает волновод. Позиционный магнит связан с объектом измерения, однако, магнитом и измерительным элементом — волноводом, полностью отсутствует механическая связь. По сути, это бесконтактный принцип измерения, а значит он обладает высокой надежностью и не имеет механического износа. Если говорить о габаритах волновода, то его наружный диаметр составляет около 0.7 мм, а внутренний около 0.5 мм Внутри волновода находится медный проводник. Сам измерительный процесс начинается с короткого токового импульса по медному проводнику из блока электроники. С перемещением импульса возникает радиальное магнитное поле вокруг волновода (рисунок №3). При пересечении с магнитным полем постоянного позиционного магнита, возникает, согласно эффекту Видемана, пластическая деформация магнитострикционного волновода, и ультразвуковая торсионная волна, которая распространяется от места возникновения в оба конца волновода. В одном из концов которая полностью гасится, исключая помехи и искажения сигнала. Скорость распространения этой волны в волноводе составляет 2830 м/с, и на нее не практически не оказывает никакого влияния внешние факторы (загрязнения, температура, удары и т.д.). Детектирование и обработка торсионного импульса происходит на другом конце волновода в блоке электроники. Преобразователь торсионных импульсов состоит из расположенной поперек волновода и жестко связанной с ним полосы из магнитострикционного металла; детектирующей катушки индуктивности и одного неподвижного постоянного магнита.

В преобразователе торсионного импульса, сверхзвуковая волна вызывает изменение намагниченности металлической полосы согласно эффекта Виллари, уже упоминавшемуся. Следующее из этого временное изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности. Этот возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика. Точное определение позиции получается измерением времени между стартом токового импульса и времени возникновения ответного электрического сигнала, которое определяется в преобразователе торсионных импульсов при детектировании ультразвуковой волны.

При кажущейся внешней сложности принципов измерения датчиков линейных перемещений Novotechnik, Temposonics и Micropulse, очевидны преимущества, которыми обладают эти преобразователи: измерение расстояния с максимальной точностью, долговременные и стабильные характеристики и параметры, высокая защищенность и стойкость к внешним воздействиям.

Надо понимать, воплощение принципов и физических эффектов в конечный надежный и точный прибор, готовый к работе в самых тяжелых условиях, ставит самые высокие требования к возможностям и компетенции

производителя. Инженеры должны обладать фундаментальными физическими знаниями, накопленными за годы исследований и испытаний. К примеру, прежде чем подобрать оптимальный вариант схемы преобразователя торсионных импульсов, были исследованы и испытаны различные варианты, представленные на рисунке №4. Оказалось, что оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Именно так получается наиболее уверенный и точный сигнал, так как регистрируется только торсионная часть механической волны, а продольные колебания не оказывают влияния на результат измерения. Применение торсионных волн и регистрирующей системы, которая реагирует только на торсионную волну, позволяет не бояться влияния вибрации на процесс измерения, так как торсионный импульс нельзя вызвать внешней механической вибрацией. Для того, чтобы все физические процессы принципа измерения могли протекать без влияния со стороны внешних воздействий, производитель использует специальные механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала. Производители магнитострикционных датчиков линейных перемещений Novotechnik, MTS Sensors Temposonics и Balluff Micropulse постоянно совершенствуют материалы используемые в своих продуктах, а так же улучшают схемы и конструкцию. Правильность выбранного направления производителей и оптимальность первоначальной конструкции магнитострикционных преобразователей Temposonics и Micropulse, подтверждают регулярно встречающиеся работоспособные датчики, старых поколений, установленные и прослужившие от пяти до десяти лет в условиях постоянной промышленной эксплуатации.

Магнитострикционные датчики линейных перемещений

© 2021 ООО Баллуфф

  • Поворотный энкодер
  • Цифровой дисплей положения
  • Датчики контроля состояния
  • Индуктивные датчики
  • Оптоэлектронные датчики
  • Ёмкостные датчики
  • Магнитные датчики для цилиндров
  • Ультразвуковые датчики
  • Кулачковые выключатели
  • Магнитострикционные датчики
  • Магнитно-кодируемые датчики
  • Датчики наклона
  • Датчики давления
  • Датчики температуры
  • Датчики расхода

Магнитострикционные системы измерения перемещений используются везде, где требуется высокая точность и надежность при измерении положения и скорости.

Даже при большом ходе перемещения. Наши системы с абсолютным бесконтактным принципом измерения оснащены всеми традиционными промышленными интерфейсами и подходят для выполнения широкого спектра задач. Они гарантируют высокую эксплуатационную готовность оборудования даже в жестких условиях эксплуатации.

Основные преимущества

  • точное абслютное измерение без установки в базовое положение,
  • отсутствие износа и технического обслуживания благодаря бесконтактному принципу действия,
  • невосприимчивость к ударам, вибрации и загрязнению,
  • герметичный корпус,
  • высокодинамичные системы регулирования с помощью синхронизированных данных измерений,
  • высокая прочность и большой срок службы,
  • гибкий монтаж и эксплуатация.

Семейство продуктов

Система позиционирования на большие расстояния с диапазонами измерения до нескольких сотен метров.

Интеллектуальная магнитострикционная система измерения положения BTL для сверхдальних расстояний предназначена для приложений, в которых абсолютное положение объекта должно определяться на больших расстояниях и с высокой точностью. Надежная система предоставляет Вам абсолютно точную и достоверную информацию о положении в диапазоне измерений до нескольких сотен метров. Поэтому система особенно подходит для применения на мостовых кранах, погрузочных мостах, козловых кранах, реверсивных устройствах управления, а также для перемещения кранов и тележек.

В жестких условиях окружающей среды или везде, где для измерения положения и скорости требуется максимальная точность, абсолютный измерительный датчик смещения определяет позиции с повторяемой точностью 0,5 мм. Система позиционирования на большие расстояния (LDPS) не подвержена износу, не требует обслуживания и нечувствительна к ударам, вибрации и загрязнению.

Система измерения позиции состоит из магнитостриктивного датчика с интерфейсом Profinet, нескольких датчиков положения и программного функционального блока для легкой интеграции в Вашу систему управления.

Специальные функции

  • абсолютная система измерения линейного положения с диапазоном измерений до нескольких сотен метров
  • высокая надежность и низкие эксплуатационные расходы благодаря бесконтактному и неизнашивающемуся принципу работы
  • Сопротивление в жестких промышленных условиях (IP67)
  • автоматическая адаптация системы к магнитной маркировке
  • Точность пересчета до ±0,5 мм

Высочайшая гибкость при монтаже и эксплуатации

Магнитострикционные системы измерения перемещений BTL в профильном исполнении от Balluff имеют абсолютный бесконтактный принцип измерения и служат для точного распознавания одного или нескольких положений. Они отлично проявляют себя даже при использовании в сложных условиях, например в прессах, инжекционно-литьевых машинах или портальных роботах, так как они заключены в герметичный алюминиевый корпус со степенью защиты IP67. Магниты, встроенные в датчик положения, воздействуют через стенку алюминиевого профиля на измерительный элемент.

Читайте также  Датчик GPS для слежения за автомобилем

Эти системы измерения перемещений отличаются высокой гибкостью монтажа. Датчики положения предлагаются в вариантах с направляющей и без нее. Датчики положения без направляющей монтируются непосредственно на подвижной детали машины, подлежащей измерению, и перемещаются вместе с ней на определенное расстояние через и вдоль профиля. Преимущество заключается в следующем: к точности ведения не предъявляются слишком высокие требования. Измерительные системы допускают смещение до нескольких миллиметров вбок или в высоту.

Особенности

  • высокое разрешение до 0,5 мкм,
  • измеряемое расстояние до 7620 мм,
  • одновременное измерение нескольких положений и скоростей,
  • отсутствие износа благодаря бесконтактному принципу действия – отсутствие простоев, большой срок службы,
  • простая интеграция в оборудование благодаря многочисленным интерфейсам, например IO-Link, Profinet, EtherCAT, SSI, и аналоговые программируемые выходные сигналы, для преобразования, конфигурирования и документирования диапазона измерения,
  • три варианта корпуса для быстрого и гибкого монтажа в зависимости от количества свободного пространства и выполняемой задачи,
  • варианты с направляющей и без нее

Магнитострикционные системы измерения перемещений в профильном исполнении гарантируют высокую экономичность и качество при производстве бетонных фасонных блоков. Такие системы, встроенные в машину для производства бетонных блоков, одновременно и с чрезвычайно высокой точностью измеряют положения осей при выполнении ходов загрузки и формовки.

Принцип действия магнитострикционных датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse

Датчики линейных перемещений применяют в различных отраслях промышленности, где требуется определить положение объекта. Компании Balluff (датчики перемещения Micropulse) и MTS Sensors (датчики Temposonics) — мировые лидеры в разработке и производстве магнитострикционных датчиков линейных перемещений.

Принцип работы

Магнитострикцию обнаружили в ферромагнитных материалах: никель, железо, кобальт и их сплавах. Принцип магнитострикции заключается в магнитомеханических свойствах этих материалов. В случае, когда ферромагнетик находится в области магнитного поля, то оно деформирует его структуры, что может привести к изменению размеров ферромагнетика. Это объясняется наличием бесчисленного количества маленьких элементарных магнитов, которые составляют ферромагнитный материал. В этих доменах все элементарные магниты имеют одинаковое направление. Так как первоначальное распределение доменов хаотично, поэтому снаружи ферромагнитное тело выглядит немагнитным. При наличии магнитного поля, домены выстраиваются параллельно друг другу по направлению поля и выравниваются. Таким образом, образуются собственные магнитные поля, превосходящие внешнее магнитное поле в сотни раз.

Например, при помещении стерженя из ферромагнитного сплава в магнитное поле параллельное его оси, стержень подвергается механической деформации и получает линейное удлинение. В действительности удлинение за счет магнитострикционного эффекта незначительное (рис. 1).

Так как магнитострикционный эффект характеризуется наличием магнитных и механических свойств ферромагнитных материалов, то такой эффект можно оптимизировать за счет создания специальных сплавов. В измерительных системах Micropulse и Temposonics применяют магнитострикционный эффект (эффект Видемана), который описывает механическую деформацию длинного, тонкого ферромагнитного стержня под воздействием двух магнитных полей: внешнего и внутреннего (создаваемого проводником), по которому проходит электрический ток. В датчиках линейных перемещений Balluff Micropulse внешнее магнитное поле создает позиционный магнит при пересечении с концентрическим магнитным полем, вызванным электрическим током, что вызывает механическую деформацию в области измерительного элемента в форме стержня. Кроме этого, в датчиках Micropulse применяется магнитоупругий эффект (эффект Виллари), связанный с изменением магнитных свойств ферромагнетика.

Для создания надежной измерительной системы разработали конструкцию датчика, состоящую из 5 частей (рис. 3):

• измерительный элемент (волновод);

• электроника датчика;

• позиционер — постоянный магнит;

• преобразователь торсионного импульса;

• демпфирующая часть (на конце стержня, которую гасит вторая часть торсионного импульса).

Ферромагнитный измерительный элемент — «стержень» измерительной системы, использующийся как волновод, по которому торсионная ультразвуковая волна распространяется до преобразователя импульсов. Измеряемую позицию определяет положение постоянного магнита, который образует магнитное поле в волноводе. Между позиционером (магнитом) и измерительным элементом (волноводом) отсутствует механическая связь, что обеспечивает длительный срок службы датчиков Баллуфф Micropulse (MTS Temposonics) на основе этого принципа измерения. Наружный диаметр волновода в сенсорах линейных перемещений Micropulse составляет 0.7 мм, а внутренний 0.5 мм.

Измерительный процесс инициируется за счет короткого импульса тока из электронной части сенсора. Радиальное магнитное поле образуется вокруг волновода при перемещении импульса (рис. 3), а при пересечении с магнитным полем постоянного магнита-позиционера, возникает пластическая деформация магнитострикционного волновода. Вследствие чего, образуется ультразвуковая торсионная волна, которая исключает помехи и искажения сигнала. Скорость распространения волны в волноводе составляет 2830 м/с. Детектирование и обработка торсионного импульса происходит в преобразователе, в котором сверхзвуковая волна изменяет намагниченность металлической полосы (эффект Виллари). Изменение поля постоянного магнита индуцирует электрический ток катушке индуктивности, возникающий электрический сигнал окончательно обрабатывается электроникой датчика.

Преимущества датчиков линейных перемещений Balluff Micropulse:

• измеряют расстояние с максимальной точностью;

• металлические магнитострикционные материалы имеют стабильные параметры;

• измерительная система надежно защищена от внешних воздействий (вибрация станков).

• Датчики обладают высочайшей повторяемостью измерений и очень большой надежностью.

На рис.4 показано детальное исследование различных вариантов схемы преобразователя торсионных импульсов. При этом оптимальная конструкция преобразователя должна быть такой, как на варианте 3. Так образуется наиболее точный сигнал. Для того, чтобы все физические процессы протекали без влияния со стороны внешних воздействий применяют механическую конструкцию корпуса и электронную схему при обработке сигнала, которые в каждом поколении магнитострикционных датчиков Balluff постоянно совершенствуются и развиваются на современном уровне.

Датчики линейного перемещения – основные нюансы

Классификация приборов

Датчики линейного перемещения имеют несколько классификационных уровней, но основным является принцип действия, который определяет функциональное назначение и область использования приборов.

  • Область применения датчиков ↓
  • Емкостные датчики ↓
  • Индукционные датчики ↓
  • Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений ↓
  • Производители различного типа приборов ↓
  • Прибор контроля перемещения своими руками ↓

По принципу действия приборы контроля и измерения перемещений можно разделить на:

  1. Емкостные.
  2. Оптические (оптоэлектронные).
  3. Индукционные.
  4. Датчики магнитострикционного типа.
  5. Ультразвуковые.
  6. Резистивные, магниторезистивные и потенциометрические.
  7. Приборы, использующие в своей работе эффект Холла в быту, практически не используются.

Область применения датчиков

Любой датчик движения, вне зависимости принципа действия, предназначен для преобразования линейного перемещения в цифровой или аналоговый сигнал, который затем поступает к электронному блоку измерения или срабатывания. От принципа действия зависит точность измерения.

Часто нет необходимости в замере конкретной величины перемещения. Например, в охранных системах достаточно просто определить наличие перемещения в зоне контроля. Эти приборы получили название датчиков движения. От них не требуется высокая точность замера величины. Поэтому дешевые емкостные, оптические или индукционные устройства здесь наиболее распространены.

В промышленно-производственных системах автоматического управления требуется измерения величины перемещения. Причем измерение (например, в станках с числовым программным управлением) должно быть проведено с высокой точность и осуществляется или непрерывно, или дискретно – через определенные промежутки времени. В этом случае наибольшее распространение получили магнитострикционные приборы.

Емкостные датчики

Простейший емкостный датчик по своей конструкции напоминает конденсатор. При движении контролируемого объекта его емкость может изменяться путем:

  1. Изменения величины зазора между пластинами.
  2. Изменения взаимного положения пластин и как следствие этого увеличения (уменьшения) зоны взаимного перекрытия.
  3. Изменения диэлектрической проницаемости изолирующего слоя.

При изменении емкости устройства эта величина может сама по себе служить сигналом, передаваемый к электронным блокам управления, а может включать генератор импульсов, которые более просто поддаются дальнейшей обработке.

Наибольшее распространения емкостные устройства контроля перемещения нашли:

  1. В качестве источника сигнала в системах контроля заполнения резервуаров жидким или порошкообразным продуктом.
  2. Как прибор, контролирующий начало – окончание рабочего хода исполнительного органа робототехнических систем и автоматических станков и линий.
  3. Для позиционирования различных объектов.
  4. Как обычный конечный бесконтактный выключатель.
  5. В системах контроля и охранной сигнализации как «датчик присутствия».

Благодаря своей невысокой стоимости и надежности, емкостные устройства нашли самое широкое распространения в отдельных системах комплекса жизнеобеспечения «умный дом».

К их достоинствам, по сравнению с устройствами, использующими другой принцип действия, можно отнести:

  1. Упрощенную технологию массового производства, с использованием недорогих, широко распространенных материалов.
  2. Высокую чувствительность при малом энергопотреблении.
  3. Компактные размеры и незначительный вес.
  4. Долговечность, простоту и надёжность эксплуатации.
  5. Простоту адаптирования устройства к решению различных задач и возможность встраивания в любую конструкцию.

Основными факторами, сдерживающими широкое применение в высокоточных системах управления, являются:

  1. Относительно низкий коэффициент преобразования.
  2. Необходимость тщательной экранировки элементов датчика.
  3. Повышение точности работы прибора на более высоких частотах по сравнению с промышленной частотой в 50,0 герц.
  4. Высокая вероятность ложных срабатываний при изменении атмосферных условий (снег, дождь) что требует повышенной защиты источника сигнала.

Индукционные датчики

Сигнал в индукционных датчиках формируется за счет изменения индуктивности катушки. Приборы этого типа отличаются высокой точностью, при незначительных габаритах. Индукционные приборы контроля способны проводить измерения дистанционно, а по типу их подразделяют на простые и дифференциальные.

Одно из конструктивных исполнений этих устройств представляет собой трансформатор, сердечник которого имеет возможность передвигаться. При перемещении сердечника индуктивность катушки меняется и это изменение является сигналом. Значение индуктивности изменяется пропорционально уровня перемещения сердечника.

Если контроль перемещения осуществляется в отношении ферримагнитных объектов, то сердечник не требуется. Деталь, попадая в поле электромагнитного излучения катушки, меняет ее индуктивность и формирует управляющий сигнал.

Контролирующие датчики индукционного типа нашли широкое применение в станках с программным управлением, бесконтактных системах охраны и для фактического измерения перемещения, с отчетом его значения по цифровой шкале или с выводом информации на экран жидкокристаллического дисплея.

Оптические и оптоэлектронные приборы контроля перемещений

Набольшее распространение для контроля движения и измерения расстояния получили оптические триангуляторы, являющиеся по своей сути обычным оптическим (лазерным) дальномером. Для контроля малых изменений линейных величин применяются приборы с поляризационной решеткой. Кроме того, оптические датчики широко используются в системах охраны в качестве «лучевого барьера».

Читайте также  Почему датчик движения сам включается и выключается?

К достоинствам этой категории приборов можно отнести:

  1. Реализацию бесконтактного контроля.
  2. Высокую точность.
  3. Практически мгновенно формирование управляющего сигнала (отсутствие времени задержки срабатывания).

Недостатками высокоточных оптических датчиков считаются:

  1. Значительная стоимость.
  2. Критичность к условиям окружающей среды.

Производители различного типа приборов

Крупнейшим российским производителем приборов для контроля перемещений является компания «ЭЛТЕХ» (Санкт-Петербург), специализирующая на устройства для контроля и измерения величины линейного перемещения индуктивного, резистивного и емкостного типа.

Линейные потенциометры модельных линий «Longfellow-2» и «DuraStar» обеспечивает измерение величины перемещения в пределах до 610,0 миллиметров с точностью 0,5%. Стоимость приборов зависит от измеряемого диапазона (модели) и объема поставки и оговаривается при заказе.

В последнее время большой популярностью пользуется недорогие, но достаточно точные приборы китайского производства.

Наиболее распространены следующие модели:

  1. «DEPP EP15-series» – приборы индукционного типа, применяемые в станках и системах автоматического контроля;
  2. Оптическое устройство «HENGXIA K100-series» позволяет контролировать размеры в диапазоне 50,0…7200,0 миллиметров;
  3. Линейный энкодер «Roundss Rlc50d» по сути является электронной рулеткой, позволяющей с высокой точностью замерять размеры и контролировать пройденный путь.

Стоимость китайской продукции зависит от курсовой стоимости рубля и уточняется при заказе.

Прибор контроля перемещения своими руками

Прибор для измерения величины перемещения изготовить самостоятельно практически невозможно. Однако радиолюбители достаточно часто собирают из вышедшей из строя радио и электронной аппаратуры датчики движения, которые с успехом используются в системах безопасности и жизнеобеспечения.

Например, датчик можно использовать для включения света в туалете, когда в помещение санузла заходит человек. Не менее популярны подобные устройства для включения-отключения освещения в жилых помещениях.

И конечно эти приборы незаменимы при формировании собственной системы безопасности, где они фиксируют любую попытку (неважно человек это или животное) несанкционированного проникновения на территорию защищаемого объекта (садового участка, балкона, гаража). Изготовление самодельного датчика движения рассмотрим на примере сборки оптоэлектронного устройства, контролирующего пересечение охраняемого периметра.

Из деталей для изготовления самого прибора потребуются:

  1. Блок питания от мобильного телефона с напряжением на входе 5,0 вольт.
  2. Фотоэлемент – лучше фоторезистор.
  3. Биполярный транзистор с «p-n-p» – переходом.
  4. Построечный потенциометр (сопротивление) с диапазоном регулировки 0…10,0 килоом.
  5. Электромагнитное реле, срабатывавшее при напряжении 5,0 вольт.
  6. В качестве источника излучения идеально подойдет лазерная указка, дающая тонкий, узконаправленный луч.

Порядок соединения схемы следующий:

  1. Катод фотоэлемента припаивается к плюсовому проводнику блока питания – эта точка будет является общим (массовым) проводником.
  2. К аноду фотоэлемента присоединяется просторечный потенциометр, при выведении его движка в среднее положение.
  3. Свободный контакт потенциометра припаивается к отрицательному проводнику блока питания, а контакт от его движка к базе транзистора.
  4. Эмиттер транзистора включается подсоединяется к общему «плюсу» схемы, а коллектор соединяется с одним из контактов реле.
  5. Второй контакт реле припаивается к отрицательному проводу блока питания.

При освещении окошка фотоэлемента лазерной указкой, поворотом движка потенциометра добиваются надежного срабатывания реле. К коммутационным контактам реле можно подключить любой источник сигнала – ревун, лампу накаливания, светодиодный индикатор. Недостатком данного устройства является то, что оно срабатывает только при пересечении луча света.

То есть в режиме ожидания все его элементы функционируют. При различных способах коммутации контактов реле можно добиться включения света при первом пересечении луча и его отключении при повторном.

MAGNETTRACK: неоптическая и бесконтактная система измерения перемещений объектов

С развитием автоматизации в промышленности всё большую актуальность приобретает задача позиционирования объектов, в том числе на больших дистанциях. Наиболее распространённые примеры — грузоподъемное оборудование, транспортные и технологические тележки, машины коксохимического производства и электровозы, штабелёры, маркировщики и прочее оборудование.


Необходимость отслеживания и управления перемещениями машин и механизмов вызвана различными задачами:

  • качественное выполнение технологической операции
  • построение электронной схемы содержимого цеха/склада
  • предотвращение аварийных ситуаций из-за неправильного позиционирования
  • полная автоматизация перемещающегося оборудования
  • выявление реальной загрузки оборудования и ситуации на производстве.

Среди возможных последствий некорректного позиционирования подобных объектов – столкновение объектов производства друг с другом; перекос мостовых и козловых кранов с длиной пролёта более тридцати метров, а также грузовых лифтов; прожиг трубы во время сварки на трубном производстве, столкновение маркировщиков; как следствие – выпуск бракованной продукции и простои производства для ремонта и обслуживания оборудования.

В большинстве случаев задача позиционирования сейчас решается следующими методами: системы на основе лазерных дальномеров, измерение перемещения с магнитной лентой либо оптической линейкой, системы радиочастотной идентификации, установка энкодеров. Каждое из перечисленных решений имеет существенные ограничения.

В частности:

  • Оптические системы (дальномеры, оптические линейки) требуют обслуживания и крайне уязвимы к загрязнениям, которые типичны для сфер машиностроения, металлургии и коксохимического производства.
  • Система с магнитной лентой предъявляет высокие требования к прямолинейности движения объекта и не допускает колебаний считывающей головки относительно ленты более чем на ±1 мм. При этом промышленные краны и электровозы могут при движении колебаться с амплитудой в несколько сантиметров во всех плоскостях.
  • Радиочастотные системы отслеживания перемещений крайне чувствительны к металлическим радио-отражательным окружающим конструкциям, имеют особые требования к местам установки компонентов и сравнительно высокую стоимость. Такие системы обладают сложностью монтажа и требуют многочисленных чувствительных настроек.

Системы позиционирования на основе энкодеров накапливают ошибку за счёт проскальзывания и износа колёс по набегу. Методы сброса ошибки посредством дискретной логики не работают надёжно. Объект, например, может работать продолжительное время между двумя точками сброса ошибки.

В качестве альтернативы вышеописанным решениям компания Balluff совместно с партнерами представляет систему измерения перемещений Magnettrack . Суть работы данной системы заключается в том, что на перемещаемый объект устанавливается магнитострикционный датчик, который определяет бесконтактным образом положение маркеров относительно своей продольной чувствительной оси, программа magnettrack в памяти выстраивает положение всех маркеров в системе абсолютных координат и далее легко определяет положение объекта по сигналам положения маркеров относительно преобразователя.

Система обладает высокой вибро- и ударостойкостью, а также защитой от кратковременного перенапряжения и переполюсовки. Magnettrack является абсолютной системой измерения положения, что позволяет восстанавливать координату в случае сброса питания, а адаптивный алгоритм программного модуля обеспечивает автоматическую перенастройку системы в случае внесения изменений в магнитную трассу.

Система обладает следующими основными характеристиками:

  • дистанция позиционирования: от 3 до 780 метров и более
  • рабочий диапазон удаления преобразователя от маркера: до 85 мм
  • допустимая амплитуда колебаний объекта: ±50 мм
  • повторяемость в статике: до 0,2 мм
  • максимальная скорость движения объекта: до 7 м/с
  • т очность позиционирования: до 0,2 мм
  • температура окружающей среды: -40 до +85/+300 ° C
  • с тепень защиты: IP67 .

Система Magnettrack состоит из трёх основных компонентов:

  • магнитострикционный преобразователь линейных перемещений Balluff BTL
  • набор магнитных маркеров, каждый из которых представляет собой один или несколько магнитов в защитном корпусе
  • программный модуль Magnettrack , интегрируемый в управляющий контроллер.

В отличие от классического применения принципа магнитострикции для измерения линейных перемещений, при котором один или несколько магнитов перемещаются вдоль неподвижно закреплённого датчика, преобразователь Balluff BTL системы Magnettrack устанавливается непосредственно на движущийся объект и вместе с ним движется вдоль магнитной трассы, состоящей из отдельных магнитных маркеров. Преобразователь считывает положение каждого магнита, над которым проезжает, относительно своей активной зоны и передаёт эти данные в управляющий контроллер, где программный модуль Magnettrack производит вычисление расстояний между соседними магнитами и на основании этих данных строит абсолютную систему координат.

Система Magnettrack является бесконтактной и неоптической, не требует обслуживания, а расчётный срок службы системы составляет пятнадцать лет. Это даёт возможность реализовать полную автоматизацию производственных процессов там, где раньше это казалось невозможным, снизить до минимума количество брака, происходящего из-за некорректного позиционирования, а также сократить затраты на проведение обслуживания и ремонта соответствующих узлов производства. Кроме того, Magnettrack позволяет реализовать системы координатной защиты и антистолкновения, которые возможно использовать при внедрении промышленной безопасности.

В дополнение к решению существующих проблем производственной логистики, система Magnettrack также является основой для перспективных решений в области реализации адресного складского учета. Она позволяет не только обеспечить безаварийное перемещение штабелёров и иного ГПО, но также стать основой полностью автоматизированной системы с построением виртуальной модели расположения товаров на складе.

Система уже установлена и успешно используется на ряде предприятий секторов металлургии, коксохимического производства, складской логистики. Объекты, на которые установлена система, работают на дистанциях от 8 до 700 метров, обеспечивают высокую точность позиционирования даже в тяжелых условиях коксохимического производства в непосредственной близости от коксовых печей под открытым небом в условиях резкого континентального климата. Специалистами отмечена высокая надёжность системы: на более чем сто установленных систем не было зафиксировано ни одного сбоя за все время эксплуатации. Надёжное позиционирование позволило снизить до минимума объем брака продукции в случае производства труб, в том числе большого диаметра (ТБД). Объем производства был увеличен на 2% благодаря сокращению простоев и уменьшению количества бракованной невосстанавливаемой продукции. Ремонтные расходы были сокращены более чем на 80%; при этом средний срок окупаемости системы составил в среднем не более шести месяцев.

Система Magnettrack на сегодняшний момент является наиболее надёжным решением в сфере позиционирования объектов производства, перемещающихся расстояниях до 700 м и более по рельсовым путям.

Наши специалисты готовы ответить на все интересующие Вас вопросы.

Свяжитесь с нами!

БАЛЛУФФ ООО

Телефон: +7 (495) 960-12-11

Принцип работы индуктивных датчиков перемещения

Предлагаем Вам ознакомиться с физическими основами работы индуктивных датчиков перемещения производства компании RDP Electronics Ltd (United Kingdom), с их основными параметрами, преимуществами и сферами применения.

Сам термин LVDT (Linear Variable Differential Transformer) — означает линейный дифференциальный трансформатор с переменным коэффициентом передачи.

Читайте также  Датчик противопожарный потолочный

Рассмотрим принцип работы датчиков на LVDT технологии.

Первичная возбуждающая обмотка
Вторичная обмотка 1
Вторичная обмотка 2
Результирующий сигнал от суммы вторичных обмоток

В принципе имеется две схемы работы — с выходным напряжением и выходным током.


Схема работы с выходным током (4-20мА)

Схема работы с выходным напряжением

Рассмотрим более детально сам процесс измерения перемещения.

Датчик перемещения, работающий по технологии LVDT, состоит из трех обмоток трансформатора — одной первичной и двух вторичных. Степень передачи тока между первичной и двумя вторичными обмотками определяется положением подвижного магнитного сердечника, штока. Вторичные обмотки трансформатора соединены в противофазе.

При нахождении штока в середине трансформатора, напряжение на двух вторичных обмотках равны по амплитуде, а т. к. они соединены противофазно, суммарное напряжение на выходе равно нулю — перемещения нет.

Если шток перемещается от серединного положения в какую либо сторону — происходит увеличение напряжения в одной из вторичных обмоток и уменьшение в другой. В результате суммарное напряжение будет не нулевым — датчик будет фиксировать смещение штока.

Соотношение выходной фазы сигнала по сравнению с фазой возбуждающего сигнала дает возможность электронике понять, в какой части обмотки находится в данный момент шток.

Основная особенность принципа работы индуктивных датчиков перемещения состоит в том, что прямой электрический контакт между чувствительным элементом и трансформатором отсутствует (связь осуществляется через магнитное поле), что дает пользователям абсолютные данные по перемещению, теоретически бесконечную точность разрешения и очень долгий срок службы датчика.

Особенности схемы работы с выходным током — т. к. цепь генератор/демодулятор встроена в сам датчик перемещения и питается от выходного тока 4-20 мА, то нет необходимости во внешнем оборудовании для формирования сигнала.

Особенности схемы работы с выходным напряжением — цепь генератор/демодулятор, встроенная в датчик перемещения обеспечивает возбуждение и преобразует сигнал обратной связи в напряжение постоянного тока. При этом так же не требуется внешнее оборудование для формирования сигнала.

Особенности измерения выходного сигнала.
1) Если выходное напряжение измеряется не фазочувствительным (среднеквадратичным) вольтметром, то отклонение штока в любую сторону от центрального положения в трансформаторе датчика будет соответствовать увеличению выходного напряжения.

Заметим, что кривая не касается горизонтальной оси. Это происходит из-за остаточного выходного напряжения.

2) Если используется фазочувствительная демодуляция, то по выходному сигналу можно судить, в какой части трансформатора находится шток в данный момент.

Для формирования сигнала всегда используется фазочувствительная демодуляция, т.к. это исключает влияние на выходной сигнал остаточного выходного напряжения и позволяет пользователю знать положение штока в трансформаторе.

Диапазон линейности индуктивного датчика перемещения.
Если мы рассмотрим выходную кривую вне механического диапазона типичного LVDT датчика, то можно заметить, что на краях диапазона кривая изгибается. Это значит, что механический диапазон существенно шире линейного участка работы.

При калибровке датчика, важно, что электрическая нулевая точка используется в качестве ссылки, и что датчик используется в пределах ± FS (полного диапазона) вокруг электрического нулевом положения.

Если проводить калибровку не беря за основу точку ноля вольт, одно из положений полного диапазона будет за пределами линейного диапазона и, следовательно, может привести к ошибке линейности.

Типы индуктивных датчиков перемещения

Тип 1 — несвязанные преобразователи, которые имеют якорь, который отделен от тела корпуса. Части датчика должны быть установлены таким образом, что якорь не прикасался к внутренней трубке корпуса. Сделав это, можно получить абсолютное отсутствие трения при движении чувствительного элемента датчика.

Тип 2 — монолитные преобразователи, которые имеют тефлоновый подшипник, который направляет якорь (шток) по внутренней трубке.

Тип 3 — монолитные преобразователи с возвратной пружиной, которая толкает якорь (шток) наружу.

Внутреннее строение типичного индуктивного датчика перемещения LVDT

Преимущества индуктивных датчиков перемещения LVDT

1. Преимущества над линейными потенциометрами (POTS).

  • Не имеют контакта корпуса и внутренних деталей с чувствительным элементом, что означает, что нет никакого износа при движении штока. POTS датчики имеют контакт с чувствительным элементом и могут быстро изнашиваются, особенно под воздействием вибрации.
  • Можно легко обеспечить защиту от влаги и пыли на требуемом уровне, даже стандартные версии LVDT датчиков обычно имеют гораздо лучший уровень защиты от внешний воздействий, чем POTS.
  • Вибрация не вызывает влияния на пропадание сигнала, в отличие от POTS, где скользящий бегунок может прервать контакт с проводником при вибрации.

2. Преимущества над магнитострикционными датчиками.

  • Не восприимчивы к ударам и вибрации.
  • Менее восприимчивы к паразитным магнитным полям окружающей среды.
  • Система формирования сигнала может быть удалена от чувствительного элемента на некоторое расстояние, что позволяет использовать датчики при работе с высокой температурой и высоким уровнем радиации.
  • Магнитострикционные датчики не имеют короткого штока ±100мм или менее, а это как раз наиболее востребованный диапазон технического применения датчиков перемещения.

3. Преимущества над кодерами (датчиками положения).

  • Имеют лучший аналоговый частотный отклик.
  • Имеют более прочный корпус.
  • Сразу после включения «знают» положение штока, в отличии от кодеров, которым надо указывать постоянную ссылку на известное положение.

4. Преимущества над переменными векторными резистивными преобразователями (VRVT)

  • LVDT датчики как правило более дешевы.
  • Имеют меньший диаметр корпуса.
  • Более прочные и не изнашиваются.
  • Могут использоваться значительно дольше.

5. Преимущества над линейными емкостными датчиками

  • LVDT датчики как правило более дешевы.
  • Менее восприимчивы к внешним условиям эксплуатации.
  • Значительно более прочные.

Особенности индуктивных датчиков перемещения LVDT

  • Максимальная рабочая температура 600°C.
  • Минимальная рабочая температура –220°C (для справки, температура жидкого азота -196°C, температура жидкого гелия -269°С).
  • Могут работать при уровне радиации 100,000 рад.
  • Могут работать при давлении 200Бар.
  • Могут работать под водой, при этом вода может попадать внутрь датчика не причиняя ему вреда. Существует специальная серия подводных датчиков, которые могут без тех. осмотра работать под водов в течении 10-ти лет, работать под водой на глубине до 2,2км. Кабельные разъемы могут подсоединяться так же под водой.

Основные сферы применения LVDT датчиков

Промышленные измерительные системы

  • Регулирующие вентили — везде, где существуют регулирующие вентили индуктивные датчики перемещения могут быть использованы для контроля положения штока вентиля. Особенно, где есть ответственные участки работы, например, в клапанах пара для турбин на электростанциях.
  • Контроль положения шлюзов — погружные датчики перемещения подходят для измерения положения шлюзов в водохозяйственных и канализационных системах.
  • Измерение зазора между валками.
    Для поддержания равномерной толщины проката зазор между валками часто измеряется на обоих концах.
  • Контроль перемещения штоков вентилей на подводных нефте/газо проводах.
  • Контроль работы гидравлических активаторов — измерение перемещения объекта, который передвигает активатор. Благодаря очен высокой износостойкости, данные LVDT датчики перемещения могут выдерживать миллионы циклов перемещения.
  • Контроль положения/перемещения режущих инструментов, отрезающих рулонные материалы.
  • Измеряет положение/смещение роликов, которые используется для выпрямления полосового проката перед штамповкой.
  • Могут быть использованы для динамического измерения размеров (диаметров) рулонов продукта, например, инициировать сигнал к системе управления, когда рулон достигает максимального/минимального размера при наматывании/сматывании материала.

Станки

  • Могут быть использованы в испытательных приспособлениях для измерения круглости, плоскостности и т.д. частей машин для анализа качества их изготовления.
  • Могут быть использованы для оценки и контроля взаимного расположения компонентов деталей в сборке, когда требуется юстировка/подгонка размеров взаимного расположения деталей.

Авиация/космонавтика

  • Могут быть использованы для оценки реакции привода на действие активатора. Например, преобразователь измеряет положение отклонения закрылков крыла самолета при техническом обслуживании. Тут очень важно измерить скорость срабатывания активатора после подачи на него управляющего сигнала, а так же скорость изменения положения закрылков.
  • Анализ Ротора вертолета
    Датчики LVDT используются на вертолетах, чтобы измерить угол наклона лопастей ротора.
  • Могут быть использованы для оценки смещения корпуса двигателя при нагревании.
  • Могут быть использованы для измерения смещения (деформации) лопасти турбины при внешнем воздействии.
  • Могут быть использованы для измерения отклонения диафрагмы сопла реактивного двигателя.
  • Могут быть использованы для испытания крыльев самолетов для измерения их отклонения при нагрузке.

Строительство / Проектирование зданий и сооружений

  • Могут быть использованы для измерения вибрации или деформации мостов при изменении трафика движения или порывов ветра.
  • Могут быть использованы для измерения смещения грунта при строительстве, контроля оползней и насыпных дамб.
  • Могут быть использованы при испытании крупногабаритных строительных конструкций, балок, пролетов моста и т. д. на силовую деформацию.

Автомобилестроение

  • Могут быть использованы для контроля смещения корпуса двигателя при его испытаниях.
  • Идеальным применением LVDT датчиков может быть тестирование компонентов подвески автотранспорта.
  • Могут быть использованы для контроля изготовления прецизионных компонентов.
  • Могут быть использованы для настройки компонентов двигателя, таких как дизельные форсунки.
  • Могут быть использованы для тестирования сидений, дверей, педалей и ручек транспортных средств для моделирования продления их срока службы.
  • Могут быть использованы для измерения профиля поверхности заготовки, например стекла или других площадных объектов.

Выработка энергии

  • Могут быть использованы для измерения биения вала турбины.
  • Могут быть использованы для контроля положения главного парового клапана, который регулирует поток пара в турбину. Клапан постоянно корректирует свое положения для поддержания постоянной скорости вращения турбины. LVDT датчики идеально подходят для работы в зоне высоких температур, грязи и постоянной вибрации.
  • Могут быть использованы для контроля положения перепускного клапана. Когда откроется перепускной клапан, датчик может испытать температуру 200°C.
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: