Физические принципы построения датчиков параметров механообработки

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ ПАРАМЕТРОВ МЕХАНООБРАБОТКИ

Классификация датчиков и основные определения

Все большее применение в промышленности находят системы автоматизации исследований и обработки экспериментальных данных, а также автоматизации управления технологическими и производственными процессами. Такие системы основываются на получении, преобразовании и обработке информации о текущих значениях параметров, характеризующих состояние объекта исследования или управления. Задачу получения этой информации и ее преобразования в форму, удобную для дальнейшего использования, решают приборы и устройства, объединяемые в измерительные системы.

Современное состояние измерительной техники позволяет контролировать около двух сотен физических величин различной природы — механических, тепловых, электрических, магнитных, акустических и др. Практически большая часть этих величин в процессе измерения преобразуется в электрический сигнал, который наиболее удобно преобразовывать, передавать на большие расстояния, усиливать и подвергать различным функциональным преобразованиям. Однако применяется также преобразование в пневматические и гидравлические сигналы, так как в машиностроении именно пневматические и гидравлические аппараты часто используются для построения систем автоматизации и управления.

Измерения осуществляются с помощью измерительных преобразователей, использующих те или иные физические принципы.

На объект измерения обычно выносится датчик, который состоит из одного или нескольких измерительных преобразователей. Датчик — это устройство, воспринимающее измеряемый параметр и вырабатывающее соответствующий сигнал с целью передачи его для дальнейшего использования или регистрации. Часто в технической литературе понятия датчиков и измерительных преобразователей между собой не разделяют и измерительные преобразователи называют просто датчиками. Хотя с принципиальной точки зрения понятия измерительного преобразователя и датчика совпадают, но с инженерной точки зрения под датчиком обычно понимают измерительный преобразователь, заключенный в корпус, снабженный устройствами для установки и фиксации на объекте и кабелем для передачи сигнала. ?

Таким образом, измерительное преобразование представляет собой отражение одной физической величины с помощью другой физической величины или набора таких физических величин. Выполняющий измерительное преобразование датчик работает в реальных условиях эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, обусловленных высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно действует большое количество параметров, среди которых только один является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внешние параметры, называемые помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величину, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной величины.

В основу построения датчиков кладутся самые разнообразные физические явления, которые в значительной степени определяют тип датчика и область рационального применения того или иного датчика. Типы датчиков, используемых для измерения различных параметров, приведены в табл. 1.1.

Все измерительные системы параметров процессов механической обработки по используемому принципу измерения можно разделить на два типа: системы с абсолютными датчиками и системы с циклическими датчиками.

В системах первого типа для каждого разряда отсчета обычно используется свой датчик, цена деления которого соответствует данному разряду.

Таблица 1.1.

Типы датчиков, применяемых для измерения различных параметров.

В системах второго типа содержится один циклический датчик (датчик точного отсчета), а результат во всех разрядах формируется путем подсчета числа циклов этого датчика. Характерным примером измерительной системы второго типа может служить датчик общего километража пробега автомобиля или всем известный бытовой счетчик электроэнергии.

Системы первого типа устойчивы к сбоям и перерывам в работе и к непредвиденным колебаниям в напряжении питания и могут успешно функционировать при более высоких скоростях изменения измеряемого параметра. Ошибки отсчета, возникающие в процессе измерений, при дальнейшем нормальном ходе этого процесса автоматически исправляются. В частности, датчики координатных перемещений узлов станка, используемые в различных системах автоматизации, как правило, принадлежат к первой группе. Их еще называют в этом случае абсолютными датчиками перемещений.

Системы второго типа обычно конструктивно более просты, но предъявляют более высокие требования к ограничениям скорости изменения измеряемого параметра (чтобы не «проглатывать» показания датчика точного отсчета) и соответственно к скорости считывания и обработки информации. Они также более чувствительны к сбоям и перерывам в работе и к непредвиденным колебаниям в напряжении питания и обладают свойством сохранять временно возникшие ошибки отсчета. Если по этому принципу строятся датчики координатных перемещений узлов станка, используемые в различных системах автоматизации, то их называют относительными датчиками перемещений.

По типу выходной информации все датчики, используемые для измерения параметров технологических процессов, делятся на дискретные (в том числе на импульсные и цифровые) и на аналоговые (в том числе датчики с выходом в виде напряжения и в виде сдвига фазы, так называемые фазовые датчики).

По конструкции измерительного устройства и по способу получения входной информации датчики параметров технологических процессов можно разделить на линейные и круговые. В первую очередь это следует отнести к датчикам положения, используемым в различного рода системах автоматизации механообрабатывающих станков, но можно также рассматривать с этих позиций и датчики других параметров.

В системах измерения положения наибольшую достоверность получаемой информации обеспечивают линейные датчики, которые монтируются непосредственно на подвижных узлах станка, перемещение которых должно быть измерено. Круговые датчики перемещения обычно устанавливают на каком-либо узле кинематической цепи подачи, обычно на шариковом ходовом винте. Они могут приводиться во вращение также от измерительной рейки через находящееся в зацеплении с ней измерительное зубчатое колесо. В этом случае на точность измерений влияют погрешности кинематической цепи между подвижным узлом и датчиком.

Для построения систем абсолютного отсчета применяют в основном круговые кодовые датчики положения. Линейные датчики положения обычно выдают информацию по одному каналу в виде серии импульсов (в виде так называемого унитарного кода), общее число которых пропорционально величине измеряемого перемещения. На основе использования таких датчиков строятся системы относительного отсчета.

С точки зрения источника энергии, используемой для измерения, все датчики можно разделить на активные и пассивные.

Пассивный, или параметрический, датчик изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому-либо внешнему источнику энергии, изменяя ее в зависимости от текущего значения измеряемого параметра. Примером подобных датчиков может служить обычный угольный микрофон, изменяющий свое сопротивление в зависимости от воспринимаемых им акустических колебаний.

Активный, или генераторный, датчик сам генерирует выходной сигнал за счет энергии измеряемой величины и не требует подключения к внешнему источнику энергии. Примерами датчиков такого рода, которые будут более подробно рассмотрены в дальнейшем, являются различные пьезоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчики скорости вращения.

К параметрическим датчикам, нуждающимся во внешнем источнике энергии, относятся:

• • резисторные;
• • индуктивные;
• • трансформаторные;
• • емкостные.

К генераторным датчикам, у которых источник энергии находится в самом датчике, относятся:

• • термоэлектрические;
• • индукционные;
• • пьезоэлектрические;
• • фотоэлектрические.

Рис. 1.1. Классификация датчиков параметров механообработки

Соответствующая классификация датчиков приведена на рис. 1.1.

Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины.

Функция преобразования измерительного преобразователя — это зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением, графиком или таблицей.

Чувствительность преобразователя — это именованная величина, зависящая от природы входной и выходной величин, показывающая, на сколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К, для фотоэлемента — мкА/лм, для двигателя — (об/с)/В, для гальванометра — мм/мкА и т. д.

Чувствительность измерительной системы, состоящей из последовательного ряда измерительных преобразователей, представляет собой произведение чувствительностей всех преобразователей, составляющих канал передачи сигнала.

Разрешающая способность преобразования — это наименьший сигнал, который может быть измерен преобразователем.

Воспроизводимость указывает на то, насколько близки друг к другу результаты измерения одной и той же физической величины.

Прецизионность указывает на то, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений, хотя и необязательно одной и той же величины.

Точность измерения показывает, как близко определенное значение параметра к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора. Если, например, прибор, имеющий полную выходную шкалу 100 В, характеризуется паспортной точностью ±2%, то это значит, что при любом отсчете стрелка прибора не может отклоняться от истинного значения более чем на ± 2 В. Если прибор показывает 90 В, то истинное значение лежит в пределах от 88 до 92 В. Если же прибор показывает 5 В, то истинное значение измеряемой величины будет лежать в тех же абсолютных пределах, т. е. между 3 и 7 В. Относительная погрешность при этом составит 4/5 или 80%.

Шумы — это любой сигнал, который не несет полезной информации. Шумы могут быть механическими, магнитными, электрическими и др. Для исключения влияния шумов прибор должен иметь соответствующую защиту. Шумы могут иметь не только внешнее происхождение, но и возникать в самом приборе вследствие недостатков конструкции или ее несоответствия поставленной задаче измерения.

Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения.

Заметим, что в большинстве случаев при измерении механических величин, таких как усилия и напряжения, нагрузка воспринимается упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется и преобразует эту деформацию в другой вид энергии, чаще всего в электрический сигнал. Входными величинами в таком случае могут быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости. Выходным сигналом может быть и непосредственно воспринимаемая информация, когда происходящая деформация какого-либо элемента, например пружины, приводит к соответствующему отсчету по шкале.