Аналогові датчики відстані

03.10.2016

Аналогові датчики відстані

перші безконтактні датчики відстані видавали інформацію лише про наявність або відсутність предмета перед датчиком у вигляді дискретного сигналу ON/OFF. Ці найпростіші датчики досі знаходять велике застосування в різних галузях промисловості. У той же час для вирішення більш складних завдань автоматизації технологічних процесів інженерам потрібна додаткова інформація про розташування об’єктів вимірювання. Для цих цілей були розроблені датчики, що дозволяють визначати відстань до об’єкта і його положення за допомогою аналогового виходу, сигнал на якому пропорційний відстані до вимірюваного об’єкту. Такі датчики можуть бути використані в багатьох застосувань, таких як визначення відстані до об’єкта, вимірювання товщини, вимірювання нахилу і деформації, вимірювання профілю виробу, центрування і вимірювання діаметру.

20 мс

Індуктивні датчики. Індуктивні датчики відстані визначають відстані до провідних металевих об’єктів, таких як сталь, алюміній, латунь. Оскільки принцип роботи індуктивних датчиків заснований на визначенні струмів взаємної індукції, такі датчики дуже стійкі до впливу неметалевих предметів і перешкод, таких як, наприклад, пил або машинне масло. Сучасні технології дозволяють створити індуктивний датчик з аналоговим виходом має діаметр всього 6 мм і вимірювана відстань 2 мм. Такі датчики з високою роздільною здатністю і швидким часом відгуку знаходять застосування в більшості високошвидкісних завдань.

Разом з тим, незважаючи на чудову точність, роздільна здатність і час відгуку, суттєва нелінійність, що становить 3% — 5%, являє певну проблему. Що б подолати це деякі виробники визначають вихідний сигнал датчика як полиномную функцію, математично описує сигнал, і тим самим дають можливість запрограмувати за допомогою такої функції більшість сучасних контролерів для більш точного алгоритму вимірювання. Типова функція, що описує вихідний сигнал аналогового індуктивного датчика залежно від відстані, представлена нижче:

Відстань = a + b (Iвих ) + c (Iвих )2 + d (Iвих )3 + e (Iвих )4

Де: Iвих = вихідний струм

Вимірювана відстань = 0-2 мм, 0-20 мА (Iвих )

Коефіцієнти функції мають наступні значення:

a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311. 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040

Тим самим, наприклад, на відстані 0,4638 мм вихідний сигнал буде 5 мА. Проблеми з лінійністю можуть бути вирішені з використанням інтегрованого в датчик мікропроцесора. Такий метод дозволяє провести лінеаризацію вихідної характеристики датчика та істотно знизити нелінійність. Наприклад, індуктивний датчик діаметром 12 мм і відстанню вимірювання 0 – 4 мм. з вбудованим мікропроцесором має лінійність краще, ніж 0,4%.

Ультразвукові датчики. Принцип дії ультразвукових датчиків відстані заснований на випромінюванні імпульсів ультразвуку та вимірі, поки звуковий імпульс, відбившись від об’єкта вимірювання, повернеться назад в датчик. При цьому досягається дозволу до 0,2 мм.

Завдяки тому, що пьезорезистивный перетворювач може служити як випромінювачем, так і приймачем ультразвукових імпульсів, з’являється можливість створити ультразвукові датчики відстані з одним перетворювачем. Такий перетворювач спочатку випромінює короткий ультразвуковий імпульс. Одночасно з цим, в датчику запускається внутрішній таймер. Коли відбитий від об’єкта ультразвуковий імпульс повернеться назад в датчик, таймер зупиняється. Час, що минув між моментом випромінювання імпульсу і моментом, коли відбитий імпульс повернувся в датчик, служить основою для обчислення відстані до об’єкта. Повний контроль за процесом вимірювання проводиться за допомогою мікропроцесора, що забезпечує високу лінійність вимірювань. Найбільш важливими особливостями застосувань ультразвукових датчиків слугує їх можливість вимірювати відстані до таких складних об’єктів, таких як, наприклад, сипучі речовини, рідини, гранули, прозорі або навпаки сильно відбиваючі поверхні. На додаток ультразвуковими датчиками можна вимірювати порівняно великі відстані, при цьому, зберігаючи їх невеликі розміри, що може бути істотно для ряду застосувань.

Однак і ультразвукові датчики мають ряд обмежень. Насамперед, це піна та інші об’єкти, сильно поглинаючі ультразвукові коливання. Таке поглинання сильно зменшує вимірювану дистанцію. Сильно вигнуті поверхні так само знижують відстань і точність вимірювань, оскільки відбивають ультразвукові коливання в різних напрямках. Ультразвукові датчики випромінюють імпульс у вигляді широкого конуса, що так само обмежує можливість вимірювання відстані до невеликих об’єктів, збільшуючи рівень перешкод від інших об’єктів, які можуть перебувати в полі зору датчика. Деякі ультразвукові датчики мають конус з кутом 5 градусів. Це дозволяє використовувати їх для вимірювання набагато менших об’єктів, наприклад таких, як пляшки або ампули.

Оптичні датчики. Існує безліч різних способів виміряти відстань до предмета з допомогою оптики: наприклад лазерні інтерферометри, датчики з розсіяним відбиттям світла і оптичні датчики радарного типу. Кожен з видів датчиків має свої сильні і слабкі сторони. Лазерні інтерферометри мають великий діапазон вимірювань і точність кілька нанометрів, однак, ці прилади дуже дорогі і складні в експлуатації. Датчики з розсіяним відображенням і аналоговим виходом можуть вимірювати відстані в широких межах, однак оскільки вони працюють з відбитим світлом, то можуть бути проблеми з вимірюванням відстаней до пофарбованих або відображають об’єктів. Оптичні датчики радарного типу, переважно лазерні, можуть вимірювати великі відстані, проте принцип їхньої роботи заснований на вимірюванні часу поширення світла від датчика до об’єкта і назад, дозволяє вимірювати з обмеженим дозволом в 2 – 3 мм.

Переважна більшість завдань щодо вимірювання в промисловості припадає на діапазони від часток мікрона до декількох десятків метрів. За цим датчики повинні працювати з об’єктами далекими від ідеальних: малого розміру, що мають різний колір, складну структуру поверхні і переміщаються з високою швидкістю. Для таких цілей найбільш підходять лазерні датчики відстані, що працюють за принципом оптичної тріангуляції.

Малюнок. Принцип роботи оптичного сенсора відстані

На малюнку показаний принцип роботи оптичного сенсора відстані. Лазер посилає через лінзу промінь, що відбивається від об’єкта і фокусується на лінійці з фотодіодів, яка прообразует світловий сигнал в електричний. Всяка зміна відстані до об’єкта викликає зміна кута відбитого променя і, отже, позиції, яку відбитий промінь займає на лінійці фотодіодів. Мікроконтролер обробляє сигнал від лінійки фотодіодів і перетворює його в аналоговий електричний сигнал.

Найбільш важлива якість таких датчиків відстані полягає в поєднанні високої точності вимірювання і великих вимірюваних відстанях. Більшість виробників пропонують датчики з роздільною здатністю від 1 мкм до 1мм. Однак висока точність можлива лише на відносно коротких відстанях. Так що, наприклад, точність в 1 мкм на відстані в 1 метр отримати навряд чи вдасться.

Для зниження впливу шумів всі лазерні датчики відстаней дозволяють проводити інтегральні або усереднені вимірювання. При цьому проводиться безліч вимірів відстані до об’єкта і результат потім усереднюється, тим самим підвищується точність вимірювань. Однак більша точність вимагає великої кількості вимірювань, збільшуючи при цьому загальний час вимірювання. Так, наприклад, що б забезпечити точність в 1 мкм типове час виміру становить близько 0,1 сек.

Правильний вибір датчика. Для того, що б правильно вибрати відповідний датчик відстані, необхідно відповісти на 7 питань:

З чого складається об’єкт вимірювання? Яка відстань до об’єкта? Яка вимагається точність? Наскільки швидко рухається об’єкт? Які існують зовнішні несприятливі умови? Який тип вихідного сигналу необхідний? Наскільки обмежений простір для установки датчика?

Отримавши відповідь на ці питання, і володіючи знанням принципів роботи індуктивних, ультразвукових і оптичних датчиків відстані, Ви зможете найкращим чином вибрати необхідний датчик.

Короткий опис статті: ультразвукові датчики Довідкові дані по електронним компонентам

Джерело: Аналогові датчики відстані

Також ви можете прочитати