Датчик линейного перемещения своими руками

Датчик линейного перемещения своими руками — Пожарная безопасность

 О чем эта статья

Конструкция датчиков перемещения может быть очень разнообразном. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки, в этой статье вы узнаете принцип действия всех существующих на сегодняшний день датчиков перемещения.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Виды деформации твердых тел» или «Датчики деформации (экстензометры)».

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта.

Разумеется, подобные приборы имеют колоссальное количество практических применений в самых разнообразных областях, поэтому существует множество классов датчиков перемещения, которые различаются по принципу действия, точности, цене и прочим параметрам.

Следует сразу отметить, что все датчики перемещения можно разделить на две основных категории — датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения (энкодеры). В рамках данного обзора основное внимание будет уделено именно датчикам линейного перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть:

• Емкостными
• Оптическими
• Индуктивными
• Вихретоковыми
• Ультразвуковыми
• Магниторезистивными
• Потенциометрическими
• Магнитострикционными
• На основе эффекта Холла

Емкостные датчики перемещения

В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь ёмкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идёт об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия (Рисунок 1).

Поскольку ёмкость конденсатора изменяется обратно пропорционально величине зазора между пластинами, определение ёмкости при прочих известных параметрах позволяет судить о расстоянии между пластинами.

Изменение ёмкости можно зафиксировать различными способами (например, измеряя его импеданс), однако в любом случае конденсатор необходимо включить в электрическую цепь.

Рисунок 1. Емкостной датчик линейного перемещения с изменяющейся величиной зазора.

Пластина может быть механически связана с интересующим объектом, и в этом случае изменение ёмкости свидетельствует о перемещении объекта.

Кроме того, если сам объект обладает свойствами диэлектрика и имеет подходящие габариты — он может быть использован непосредственно в качестве диэлектрической среды в конденсаторе.

Рисунок 2. Емкостной датчик линейного перемещения с подвижным диэлектриком.

Оптические датчики перемещения

Существует множество вариаций схем датчиков перемещения, основанных на различных оптических эффектах.

Пожалуй, наиболее популярной является схема оптической триангуляции — датчик положения является, по сути, дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения, что даёт возможность определить длину d — расстояние до объекта (Рисунок 3). Важным достоинством большинства оптических датчиков является возможность производить бесконтактные измерения, кроме того такие датчики обычно довольно точны и имеют высокое быстродействие.

Рисунок 3. Оптический датчик перемещения на основе схему оптической триангуляции.

В другой реализации оптического датчика, предназначенной для регистрации и определения параметров малых перемещений и вибраций, используется двойная решётчатая конструкция, а также источник света и фотодетектор (Рисунок 4).

Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение.

https://www.youtube.com/watch?v=DJcexW86LK8

Малое смещение подвижной решётки приводит к изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.

Рисунок 4. Оптический датчик перемещения на основе дифракционных решеток.

Дополнительными возможностями применения обладают оптические датчики, учитывающие поляризацию света. В таких датчиках может быть реализован алгоритм селекции объектов по отражательным свойствам поверхности, т.е.

Источник: https://drakkar11.com/datchik-lineynogo-peremescheniya-svoimi-rukami/

Датчик линейного перемещения: описание, виды, применение и как сделать своими руками

Контроллеры – устройства, позволяющие сделать жизнь людей проще. Есть контроллеры света, датчики звука, а есть регистраторы перемещения. Последние определяют величину изменения координат чего-либо. Разумеется, они применяются во всех сферах человеческой жизни. Далее будет рассмотрен датчик для контроля линейного перемещения объектов: его разновидности, характеристики, а также применение устройства.

Описание и назначение прибора

В общем виде подобные контроллеры состоят из элементарного электронного устройства (конденсатора, катушки, резистора, их комбинаций с дополнениями), механического объекта, изменяющего параметры этих устройств (феррита или пластины диэлектрика), а также АЦП для обработки сигнала аналогового формата и передачи его на управляющий элемент (микроконтроллер, например).

Виды и принцип действия

Контроллеры движения различаются по физическим явлениям, которые лежат в их основе, и, соответственно, по способу функционирования.

Емкостные

Работа таких регистраторов основана на варьировании емкости конденсатора.

Из школьного курса физики известно, что емкость проще изменить, уменьшая или увеличивая расстояние между его обкладками, либо внесением диэлектрика между его пластинами.

Исходя из этого получается, что емкостные контроллеры бывают двух видов (в зависимости от способа изменения емкости накопителя).

В первом случае чем ближе измеряемая цель, движение которого фиксирует датчик, тем меньше зазор между обкладками, тем больше его емкость. И наоборот.

При использовании емкостного контроллера второй конфигурации движение фиксируется при помощи пластины, связанной с измеряемой целью. Чем цель ближе, тем больше пластина проникает между пластинами.

Фиксировать величину емкости можно разными способами. Например, измерять комплексное сопротивление конденсатора.

Оптические

Эффектов из раздела оптики, на которых можно построить датчик движения, много. Самый популярный и чаще используемый – эффект оптической триангуляции. Контроллеры на его основе определяют расстояние от движущейся цели с помощью фиксации рассеянного о поверхность перемещающегося объекта излучения и определения угла отражения с помощью фотодетектора.

Такие контроллеры производят измерение расстояния, никак не контактируя с выбранной целью. Они высокоточные и быстро реагируют на изменение измеряемых параметров.

Другой вид оптических контроллеров основан на учете вибрации и малых перемещений. Такие регистраторы состоят из трубы, двух решеток внутри – одна зафиксирована на месте, а вторая подвижная и может быть связана с движущимся объектом – и фотодетектора.

Если такие датчики научить распознавать поляризацию света, то можно на их основе создавать селекционные контроллеры, которые будут реагировать только на объекты, хорошо отражающие свет.

Индуктивные

Принцип функционирования индуктивных контроллеров в одном из исполнений похож на принцип работы емкостных контроллеров, где емкость изменялась за счет внесения в конденсатор диэлектрика.

Правда, в индуктивные приборы вносится не диэлектрик, а сердечник в трансформатор. Сердечник связан с движущейся целью. Чем он больше проникает между обмотками, тем больше амплитуда, например, напряжения во вторичном проводе.

По размерности сигнала во вторичном проводе можно иметь представление о положении интересующей цели.

Такие регистры имеют и другую конфигурацию. Они могут состоять из ферромагнетика и измерителя индуктивности. Ферромагнетик связан с движущейся целью. По близости ферромагнетика к измерителю можно судить о положении объекта.

Индуктивные контроллеры во втором исполнении можно применять только для контроля небольших перемещений.

Вихретоковые

Такие контроллеры в своем составе имеют генератор магнитного поля и его регистратор. Регистратор определяет индукцию создаваемого поля. Движущаяся цель создает побочное магнитное поле с помощью вихревых токов. Оно пересекается с исходным полем, создаваемым генератором.

От пересечения магнитных линий изменяется индукция поля. Изменение индукции фиксирует регистратор. По нему можно судить о положении цели.

Ультразвуковые

Они представляют собой радары. Принцип их действия простой: источник контроллера излучает ультразвуковую волну, она сталкивается с движущейся целью, отражается от него, а приемник контроллера ее фиксирует. По различию параметров отраженной и принимаемой волны делают выводы о положении движущегося объекта.

Магниторезистивные

Такой контроллер в своем составе имеет постоянный и пластины, параметры которых зависят от величины магнитного поля вокруг, включенные по схеме, называемой “мостом”. Последние изменяют свое сопротивление в зависимости от индукции вокруг них.

Брусок из ферромагнетика, связанный с движущимся объектом, в зависимости от положения последнего, перемещается в поле, изменяет его индукцию, пластины меняют импеданс, и схема регистрирует фактически изменение этого сопротивления. По величине этого рассогласования судят о положении нужной цели.

Потенциометрические

Эти датчики – одни из самых простых контроллеров движения. Все, что они имеют в своем составе, это источник сигнала и потенциометр, регулятор которого связан с движущейся целью.

В зависимости от положения ручки меняется разность потенциалов на переменном резисторе.

По величине этого напряжения можно судить о положении цели.

Магнитострикционные

Эффект магнитострикции состоит в изменение объема и габаритов какого-либо тела при изменении его намагниченности. Регистры на основе этого эффекта состоят из волновода (трубки), по которому перемещается магнит в форме кольца. Внутри трубки находится провод с подключенными к нему генератором и регистром импульсов. Поле, создаваемое проводником, складывается с полем, создаваемым магнитом.

Суммированное поле вращает трубку, что позволяет волноводу создавать импульсы вращения, попадающие на регистратор. По задержке между отправлением электроимпульса и приходом импульса от волновода можно определить расстояние до кольца, а положение магнита дает представление о положении перемещающейся цели.

На основе эффекта Холла

Контроллеры, принцип функционирования которых объясняется действием этого эффекта, похожи на магниторезистивные.

Эффект Холла состоит в изменении напряжения проводника при прохождении через него электрического тока.

Области применения

Любой регистратор движения представляет собой индикатор с аналогово-цифровым преобразователем. Аналоговый сигнал – изменение напряжения, емкости конденсатора, амплитуды во вторичной обмотке и других параметров. Цифровой сигнал – то, что управляет подключенной к датчику системой.

Каким-то системам достаточно лишь двух сигналов с датчика – нуля и единицы. К ним относятся системы сигнализации (извещатели), в которых ноль – дверь закрыта, единица – дверь открыта; системы управления светом (ноль – никого нет в помещении, свет выключен, единица – в помещении есть движение, свет включен).

Хотя есть системы, в которых важна точность измерений подобных датчиков. Например, станки с числовым программным управлением, которые на основе данных с датчика движения могут регулировать положение в пространстве работающего механизма (иглы или сверла).

Обзор производителей

На рынке представлено большое количество производителей датчиков линейного движения, среди которых:

• ЭЛТЕХ;
• Longfellow-2;
• DuraStar;
• DEPP;
• HENGXIA;
• Roundss.

Эти компании выпускают продукцию различного качества, разного функционала и разной ценовой категории.

Важно! Стоимость всех далее приведенных устройств, которые производятся не в России, зависит от курса рубля.

ЭЛТЕХ

ЭЛТЕХ – компания из Санкт-Петербурга, которая является крупнейшим производителем подобных контроллеров в стране. Они выпускают датчики емкостного, индуктивного и магниторезистивного типа.

Longfellow-2 и DuraStar

Longfellow-2 и DuraStar – датчики линейного движения, относящиеся к типу потенциометрических. Они способны улавливать изменения движения в пределах до 6,1 см с точностью 0,5%.

Чем дороже стоят модели, тем больший диапазон измерений они поддерживают.

DEPP EP15-series

Модель датчика китайской компании DEPP, относящегося к типу устройств, в основе которых лежит изменение магнитной индукции поля. Они применяются в станках и системах автоконтроля.

HENGXIA K100-series

Модель оптического датчика, которая может фиксировать размеры в диапазоне 0,5 – 72 см.

Roundss Rlc50d

По сути, этот датчик – электронная рулетка, которая с высокой точностью определяет необходимые расстояния.

Как изготовить своими руками

Проще всего создать потенциометрический датчик и подключить к нему какой-либо микропроцессор.

Для создания потенциометрического датчика нужно взять блок питания и потенциометр, регулировочную ручку которого следует подключить к перемещаемому объекту. К потенциометру нужно подключить один из выводов микроконтроллера в режиме АЦП (обязательно через ограничительный резистор, чтобы вход не сгорел), а к другому выводу следует подключить систему, управление которой осуществляется (аналогично через резистор).

Не так сложно изготовить индуктивный датчик. Для этого понадобится тот же микроконтроллер с входом в режиме АЦП, две обмотки для будущего трансформатора и регулируемый сердечник. Подвижную часть сердечника нужно подключить к движущемуся объекту, АЦП – ко вторичной обмотке, первичную обмотку соединить с источником питания, к другому выводу микроконтроллера следует подключить управляемую систему. Нельзя забывать об ограничительных резисторах.

По аналогии можно собрать емкостной датчик с введением диэлектрика. Вместо обмоток трансформатора подключаются обкладки конденсатора, вместо ферромагнетика сердечника – любой диэлектрик.

Можно собрать и лазерный датчик линейного перемещения. Как раз такой применяется в станках с ЧПУ. Проблем с приобретением самого излучателя нет. Они могут возникнуть на этапе обработки сигнала с лазерного излучателя. Делать это проще всего с помощью микроконтроллера (например, SMT или AVR), но для отладки обработки этого сигнала потребуется потратить много времени, если нет большого опыта в проектировании таких устройств.

Технические устройства с более сложной конструкцией, конечно, тоже можно самостоятельно собрать. Тем более, что их схемы доступны в интернете, вопрос только в подборе номиналов элементов. Хотя лучше приобрести готовые изделия, потому что они заранее проверены и настроены инженерами компании-изготовителя.



Правила эксплуатации

Первое, что нужно уяснить при эксплуатации подобных датчиков –, они не любят резких воздействий со стороны, к которым относятся удары, вибрация, падения и т.д. Дорогие датчики линейного перемещения – высокочувствительные устройства и в них устанавливаются элементы, не переносящие деформации. Удар или деформация может повредить контакт регистратора, и тогда датчик будет показывать неточный результат (или не будет его выводить вообще).

Например, подвижная сетка оптического датчика крайне чувствительна к внешним воздействиям, как и регистраторы в магнитострикционных и магниторезистивных типах моделей.

Также не следует пытаться дорабатывать датчики самостоятельно, если нет никакого опыта в подобных модернизациях. Если контроллер рассчитан на определенную точность, не нужно пытаться ее повысить. Для этого придется пересчитывать номиналы всех элементов в устройстве и, если допустить ошибку, можно его сломать.

Контроллеры, предназначенные для работы в особых условиях, не продаются в бытовых магазинах или на популярных китайских сайтах. Изготавливаются они во многих случаях на заказ на специальных предприятиях, а их стоимость в разы выше, чем у массовых аналогов.

Источник: https://ProDatchik.ru/vidy/datchik-linejnogo-peremeshhenija/