DEPLASARE LINIARĂ

Sistemele de comandă a mișcării necesită în mod obișnuit un senzor într-o buclă de reacție pentru a se asigura că elementul sau componentul mobil atinge poziția comandată. Senzorii de poziție sunt utilizați în mod obișnuit pe comenzile mașinii-unelte, ascensoare, ansambluri cu nivel-lichid, stivuitoare, comenzi de accelerație ale automobilelor și numeroase alte aplicații. Senzorii de poziție măsoară deplasarea absolută sau incrementală și sunt fabricați dintr-o varietate de materiale diferite. De asemenea, când alimentarea senzorului cade, unii păstrează datele de poziție măsurate, iar alte tipuri pierd informația.

Un dispozitiv comun este un senzor de poziție rezistiv sau un potențiometru. Acesta poate fi un senzor rotativ cu o singură tură sau cu multi-ture, cu un element din carbon sau unul din materialele peliculă de plastic mai durabile și mai conducătoare, la temperaturi înalte. Unele tipuri de potențiometre se conectează la elementul mobil printr-o cuplare rigidă sau flexibilă, în timp ce altele sunt acționate cu un lanț înfășurat în jurul arborelui său de ieșire. Alți senzori de poziție includ LVDT (transformatoare diferențiale cu variație liniară), dispozitive acționate sonic și encodere digitale.

Traductoare potențiometru cu lanț

Tipurile de potențiometre de tip "lanț" sunt în principiu dispozitive de rotație care măsoară în mod tipic mișcarea liniară, după cum se arată în figura 9.01. Deoarece un cablu se conectează între elementul mobil și potențiometru, cablul trebuie să fie preîncărcat cu un arc, să aibă un coeficient de expansiune scăzut în gamă largă de temperatură (-65 până la +125°C) și să aibă o tendință mică de a se întinde. Din cauza acestor constrângeri, acuratețea sa este ceva mai mică decât cea a unui senzor mai rigid, cuplat pe arbore.

Fig. 9.01. Potențiometrele cu lanț ocupă un spațiu total realtiv mic într-o instalație de mașină sau dispozitiv de testat. In unele aplicații, unde un senzor nu poate fi montat pe dispozitivul de măsurat, potențiometrul poate fi montat la o distanță convenabilă de bancul de testare fără sacrificarea acurateței sau repetabilității.

Majoritatea potențiometrelor moderne sunt extrem de liniare și sunt realizate cu aliaje speciale sau cursoare din metale prețioase și elemente rezistive din plastic conductiv pentru a rezista la mai mult de 100 de milioane de rotații. Acestea sunt, de obicei, parte a unui divizor de tensiune și furnizează o tensiune de ieșire proporțională cu deplasarea, dar pot de asemenea să comande convertoare analogic-digitale pentru a alimenta direct instrumente cu microprocesor. Cu toate acestea, atunci când sunt necesare ieșiri digitale, o practică mai obișnuită utilizează encodere digitale care furnizează în mod inerent o acuratețe mai mare.

LDVT: Transformatoare diferențiale liniar variabile

LVDT-urile sunt dispozitive electronice compuse dintr-un transformator special cu un actuator metalic mobil în miezul gol. Transformatorul conține două înfășurări secundare înfășurate diferențial pe fiecare parte a înfășurării primare. Deoarece actuatorul din miez se deplasează în interior și în exterior, acesta cuplează un semnal de la primar la secundar proporțional cu deplasarea. Fiind înfășurate diferențial, LVDT-urile pot de asemenea să furnizeze semnale direcționale cu circuite corespunzătoare de condiționare a semnalului. Cu actuatorul în poziția centrală, semnalul de ieșire este nul sau zero. Când actuatorul se deplasează într-o direcție, semnalul este pozitiv, iar atunci când se mișcă în direcția opusă față de nul, semnalul este negativ (vezi Figura 9.02).

Fig. 9.02. Senzorii LVDT oferă informație de distanță și direcție cu acurateșe extrem de mare. Dar un dezavantaj pentru unele instalații este lungimea lor relativ mare. Lungimea minimă a senzorului este corpul său, iar miezul se poate extinde numai atât cât este lungimea corpului.

LVDT-urile au nevoie de circuite electronice pentru a furniza un semnal AC care să excite semnalul primar și un demodulator pentru a transforma semnalul de ieșire într-un semnal DC cu polaritate direcțională. Unele LVDT-uri conțin electronice încorporate și necesită doar alimentare pentru a obține o ieșire, în timp ce altele necesită condiționatoare sau module de semnal separate. LVDT-urile sunt ele însele dispozitive robuste și au un MTBF de până la 3 milioane de ore. Limita principală este gama de deplasare a miezului pentru a asigura o liniaritate ridicată.

Senzor de poziție magnetostrictiv

Un alt tip de senzor de poziție relativ nou se bazează pe teoria funcționării interacțiunii a două câmpuri magnetice cu materiale magnetostrictive. Componentele majore ale senzorului includ un magnet permanent extern, circuite integrate de detectare și condiționare a semnalului de ieșire, un tub senzor și un element ghid de undă. Magnetul permanent se fixează pe obiectul mobil și carcasa rămâne fixată la un punct de referință staționar (vezi figura 9.03).

Fig. 9.03. Senzorii de poziție magnetostrictivi au un înalt raport semnal-zgomot, rezistență la șoc și vibrații și acuratețe. Ei sunt dispozitive robuste care livrează semnale de la 30 la 400 mV la terminalele lor de ieșire și necesită condiționare de semnal suplimentară puțină sau deloc. Un posibil dezavantaj pentru unele aplicații, este ghidul său de undă, care trebuie să fie cel puțin cât lungimea cursei de măsurat.

Circuitul de condiționare a semnalului de ieșire generează un impuls de curent și un câmp magnetic care se deplasează în jos pe ghidul de undă. Când câmpul transmis ajunge la câmpul magnetului permanent, combinația induce un impuls de solicitare în tubul magnetostrictiv. Impulsul de solicitare, la rândul său, călătorește în josul ghidului de undă la capul senzorului unde este detectat. Timpul măsurat între aplicarea impulsului de interogare și sosirea impulsului de solicitare determină distanța precisă, absolută între magnetul mobil și generatorul de impulsuri. Rezoluția este de aproximativ 0,002 mm, durabilitatea este ridicată, iar cursa variază de la 5 la 20.000 mm. Rezoluțiile mai mari necesită circuite suplimentare de interpolare. Semnalul de ieșire, proporțional cu deplasarea, poate fi analogic sau digital și poate reprezenta atât poziția, cât și viteza.

Encodere lineare

Encoderele liniare au evoluat de-a lungul anilor pentru a furniza informații de poziție extrem de precise. Principiul lor de funcționare depinde de detectarea poziției de la gradațiile de precizie (codurile de poziție) gravate pe o scală liniară. Acestea vin în ambele tipuri de contact și fără contact, iar lungimea lor este, în primul rând, limitată la coeficientul de expansiune sensibil la temperatură pentru a păstra precizia. Cele mai multe scale moderne sunt sticla, iar senzorii optici detectează gradațiile (vezi figura 9.04). Beneficiul unui tip non-contactant este, de obicei, o durată de viață mai mare, deoarece folosește componente optice în locul periilor sau un cursor de contact. Toate encoderele optice conțin o sursă de lumină, detector de lumină, disc de cod sau scală și un procesor de semnal.

Fig. 9.04. Encoderele cu două canale oferă vectori de măsură și direcție cu un semnal de ieșire care poate fi o undă sinusoidală, undă dreptunghiulară sau o serie de impulsuri spațiate egal, generate la intervale regulate pe forma de undă.

POZIȚIA UNGHIULARĂ

Poziția unghiulară poate fi măsurată cu potențiometre, cuplate la un ansamblu rack și pinion sau trenuri de angrenaj pentru a obține un raport adecvat al rotației potențiometrului cu rotația sau mișcarea componentei măsurate (a se vedea figura 9.05). Potențiometrele vin în mod obișnuit cu o singură tură, până la 25 de ture și se potrivesc la numeroase aplicații. Dar cele mai multe măsurători de rotație, indiferent dacă sunt viteză, rpm sau poziție, sunt cel mai bine tratate cu encodere digitale. La fel ca și encoderele liniare, au fost utilizate mai multe tipuri de-a lungul anilor, incluzând atât cu contact (vezi Figura 9.06), cât și fără contact. Acestea conțin un disc (roată de cod) sau o placă realizată cu segmente opace și transparente alternante care se deplasează între o sursă de lumină, cum ar fi un LED, și un fotodetector (a se vedea figura 9.07).

Fig. 9.07. Obturatorul este unul dintre cele mai critice componente ale ansamblului encoder. Rezoluția și acuratețea senzorului depind de calitatea proceselor de fabricare și asamblare ale producătorului.

Encodere absolute

Encoderele absolute conțin în mod tipic mai mulți detectori și sloturi pe o roată rotativă pentru a furniza un cod binar de ieșire unic pentru fiecare poziție a arborelui în gama sa de rezoluție. Prin urmare, poziția arborelui poate fi determinată absolut. În plus, poziția corectă este întotdeauna menținută înainte și după o întrerupere a alimentării. Semnele de pe roata encoderului pot fi aranjate pentru a oferi o eroare maximă de 0,5 biți. Encoderele absolute apar în versiuni single- sau multi-tură.

Encodere incrementale

Encoderele incrementale furnizează de obicei două canale de semnale de ieșire de undă dreptunghiulară. Fiecare impuls reprezintă un increment de rotație a poziției relative. Aceste encodere conțin adesea un al treilea slot numit slotul de referință utilizat pentru calibrarea encoderului. Encoderele cu canale duale sunt mai exacte decât tipurile cu un singur canal. Ele înregistrează direcția și când o roată de cod se oprește la marginea unui slot, vibrațiile incidente nu pot genera un număr de eroare, așa cum se întâmplă pentru senzorii cu un singur canal.

Encodere în cuadratură

Cele două canale, A și B, ale unui encoder incremental cu ieșire duală sunt de obicei dedalate cu 90 de grade unul față de celălalt. Prin urmare, distanța dintre impulsuri este de jumătate din lățimea liniei. Când discul conține 1024 de linii și 1024 de spații, senzorul generează 4 X 1024 = 4096 impulsuri per rotație; de aici semnalele de ieșire sunt livrate în cuadratură (vezi figura 9.08). Mișcarea unghiulară în acest aranjament se rezumă la 5,27 minute de arc.

Fig. 9.08. Doi senzori de lumină într-un encoder de poziție liniară cu două canale sunt conectați într-o configurație în contratimp și se urmăresc unul pe celălalt, astfel că variații egale la intrare produc variații egale la ieșire.

Circuitele de condiționare a semnalului generează forma de undă a semnalului de ieșire și semnalele complementare, detectează direcția lor și filtrează ieșirea. Amplitudinea tensiunii de intrare comandă două stări de ieșire stabile ale unui circuit de formare. Ieșirea formatorului alimentează mai multe porți, care, la rândul lor, generează impulsurile care marchează trecerea semnalului prin zero a codorului. De asemenea, circuitele detectează dacă canalul A conduce sau întârzie canalul B pentru a furniza informații de direcție.

Erori

Producătorii de encodere se străduiesc să reducă la minimum erorile dispozitivului, dar utilizatorii trebuie să fie preocupați de erorile totale ale sistemului. Erorile encoderului constau în erori de instrument și de cuantificare, precum și erori de fabricație și asamblare. De exemplu, sursele de lumină trebuie să corespundă perfect, iar roata de cod trebuie să aibă o excentricitate redusă a discului.

Eroarea encoderului este relativ ușor de cuantificat, în timp ce eroarea totală depinde de fiecare aplicație și este puțin mai dificil de identificat. Mai multe surse contribuie la eroarea totală, inclusiv toleranțele de fabricație și asamblare, caracteristicile LED-urilor, alinierea scalei și a discului și stabilitatea alimentării cu energie electrică. Altele includ interferențe electrice, variații de temperatură, cuplaje mecanice și vibrații mecanice.

În unele cazuri, se pot calcula erorile de nealiniere a encoderului. De exemplu, un senzor liniar încorporează adesea o scală de sticlă pentru a detecta deplasarea liniară. Când scala este încovoiată sau îndoită, curbura introduce o eroare care este proporțională cu deplasarea d, așa cum se arată în figura 9.09. Când d este relativ mic față de S, suprafața concavă a scalei este scurtată prin Δ, iar suprafața convexă este alungită prin Δ, unde Δ=4td/S.