Являются ли одинаковыми датчики положения входного и выходного вала акпп киа рио 3

Датчики
положения предназначены для определения
наличия в заданной области объекта
обнаружения. По характеру взаимодействия
с объектом датчики делятся на контактные
и бесконтактные. Предпочтение следует
отдавать последним, поскольку они
позволяют определять положение объекта
на расстоянии. К бесконтактным относят
оптические, емкостные, индуктивные,
ультразвуковые датчики положения.

Фотоэлектрические
датчики применяются для бесконтактного
обнаружения, определения местоположения,
сортировки или подсчёта разнообразных
объектов в автомобильной промышленности,
машиностроении, полиграфии, при обработке
материалов, упаковке, в робототехнических
системах автоматизации механосборочных
операций, контроля качества, доступа и
др.

Оптические
бесконтактные выключатели фиксируют
объекты, которые отражают или прерывают
оптическое излучение, и содержит
полупроводниковые коммутационные
элементы. Для большей помехозащищенности
используют инфракрасное излучение.
Выделяют три типа оптических выключателей:

–
датчики с отражением от объекта,

–
с отражением от катафота,

–
датчики “Разнесенная оптика”.

Датчики
с применением лазерной технологии
применяют для решения задач обнаружения
с высоким разрешением.

У
датчиков с
отражением луча от объекта

приемник и излучатель встроен в один
корпус.

Ориентация
на объект не является критической.
Объект обнаружения (например, стандартный
объект с 90%-ным отражением) отражает
часть света от поверхности в противоположную
сторону, на приемник. Как только объект
вносится в эффективную зону луча,
происходит изменение выходного состояния
оптического выключателя.

Достоинства:

компактная и дешевая конструкция,
простота установки

Недостатки:

малое
расстояние срабатывания, высокие
требования к поверхности объекта
обнаружения, низкая помехозащищенность
от посторонних засветок, низкая точность
определения поперечного положения
объекта.

У
датчиков с
отражением луча от катафота

приемник и излучатель встроены в один
корпус.

Световозвращатель
на противоположной от датчика стороне
отражает свет от излучателя обратно на
приемник. Стандартный объект прерывает
отраженный луч света и вызывает изменение
выходного сигнала.

Достоинства:

большее, чем в 1 схеме, расстояние
срабатывания, обнаружение любых
непрозрачных объектов, выше точность
определения поперечного положения
объекта.

Недостатки:

более
дорогая конструкция, сложнее взаимная
установка датчика и катафота, ложные
срабатывания в случае объекта с зеркальной
поверхностью.
Для защиты от этого рекомендуется, чтобы
свет, отраженный от объекта, фильтровался
при помощи поляризующего фильтра
напротив приемника, с целью предотвращения
любых побочных сигналов.

Датчики
типа “Разнесенная
оптика”

состоят из отдельных элементов: приемника
и излучателя, которые должны быть
расположены строго друг напротив друга.
Непрозрачный объект обнаружения
прерывает луч света и, независимо от
поверхностных характеристик, вызывает
изменение выходного сигнала.

Достоинства:

наибольшее из 3-х схем расстояние
срабатывания, обнаружение любых
непрозрачных объектов, высокая точность
определения поперечного положения
объекта.
При неблагоприятных условиях (пыль,
влажность, масляная пленка на линзах),
надежность обнаружения выше.

Недостатки:

более
дорогая конструкция, сложнее коммутация
и взаимная установка излучателя и
приемника.

Общие
достоинства оптических датчиков
положения:
Низкая
стоимость датчиков, обнаружение
непрозрачных объектов из любых материалов,
большое расстояние срабатывания (до 20
м). Отсутствие влияния на них электромагнитных
излучений.

Общие
недостатки
:
При неблагоприятных условиях (пыль,
влажность, масляная пленка на линзах),
низкая надежность обнаружения, влияние
посторонних засветок, требования к
свойствам поверхности объекта.

Стремительное
расширение спектра областей применения
емкостных бесконтактных выключателей
обусловлен разнообразием управляющих
объектов, от которых они могут срабатывать.
Отличительная черта данных датчиков –
их способность обнаруживать как металлы,
так диэлектрические предметы. Дерево,
бумага, полистирол, стекло, цемент,
песок, бетон, нефть, вода, спирт, пищевые
продукты – вот незначительный перечь
материалов, на которые реагируют
емкостные датчики. Способность данных
выключателей обнаруживать продукты
питания объясняет их возросшую
популярность у производителей оборудования
для пищевой промышленности.

Принцип
действия.

Активная
поверхность емкостного выключателя
образуется двумя концентрически
расположенными металлическими
электродами. Их поверхность А и В (см.
структуру) расположены в цепи обратной
связи высокочастотного генератора,
который настроен таким образом, что он
не генерирует при отсутствии объекта
детектирования. Триггер преобразует
аналоговый сигнал в логический,
устанавливая уровень переключения и
величину гистерезиса. Если объект
приближается к активной поверхности
датчика, то он попадает в электрическое
поле перед поверхностями электродов и
способствует повышению емкости связи
между пластинами А и В. При этом амплитуда
генератора начинает возрастать. Амплитуда
колебаний регистрируется оценочной
схемой и преобразуется в команду
включения.

Емкостные
бесконтактные выключатели состоят из
следующих основных узлов:

Достоинства
емкостных датчиков положения:
компактная
конструкция, обнаружение объектов из
любых материалов, в том числе порошков
и жидкостей, меньшее влияние на них
загрязнений.

Недостатки
:
относительно высокая стоимость,
обнаружение только изолирующих
материалов, малое расстояние срабатывания
(до 40 мм) нуждаются в периодической
очистке их поверхности.

Индуктивные
бесконтактные датчики предназначены
для контроля положения механизма или
отдельных узлов. Они находят широкое
применение в станках, кузнечно-прессовом
оборудовании, литейных машинах, конвейерах
и т.д., во всех отраслях промышленности.

Высокая
надежность, независимость срока службы
от числа срабатывания, надежная
герметизация и возможность применения
в неблагоприятных условиях, большое
быстродействие, высокая долговечность
– все эти преимущества позволяют с
успехом заменять контактные путевые
переключатели, повышая надежность схем
управления различными производственными
процессами.

Принцип
действия бесконтактного датчика основан
на изменении амплитуды колебаний
генератора при внесении в активную зону
датчика металлического, магнитного,
ферро- магнитного или аморфного материала
определенных размеров. При подаче
питания на датчик в области его
чувствительной поверхности образуется
изменяющееся магнитное поле, наводящее
во внесенном в зону материале вихревые
токи, которые приводят к изменению
амплитуды колебаний генератора. В
результате вырабатывается аналоговый
выходной сигнал, величина которого
изменяется от расстояния между датчиком
и контролируемым предметом. Триггер
преобразует аналоговый сигнал в
логический, устанавливая уровень
переключения и величину гистерезиса.

Индуктивные
бесконтактные датчики состоят из
следующих основных узлов:

Активная
зона бесконтактного индуктивного
выключателя – та область перед его
чувствительной поверхностью, где более
всего сконцентрировано магнитное поле
чувствительного элемента датчика.
Диаметр этой поверхности приблизительно
равен диаметру датчика.

Номинальное
расстояние переключения Sном

– теоретическая величина, не учитывающая
разброс производственных параметров
датчика, изменения температуры и
напряжения питания.

Рабочий
зазор – это любое расстояние, обеспечивающее
надежную работу бесконтактного
выключателя в допустимых пределах
температуры и напряжения. 0
< = Sраб < = 0,8 S.

Поправочный
коэффициент рабочего зазора дает
возможность определить рабочий зазор,
который зависит от металла, из которого
изготовлен объект воздействия.

Достоинства
индуктивных датчиков положения:

компактная
конструкция, реагируют только на
ферромагнитные материалы, устойчивая
работа в загрязненных производственных
условиях.

Недостатки
:
относительно высокая стоимость, невысокое
расстояние срабатывания (до 80 мм), влияние
внешних электромагнитных полей.

Индуктивные
датчики щелевого типа

Индуктивные
датчики щелевого типа имеют U- образный
корпус, выполненный из пластика PBT,
армированного стекловолокном. Переменное
электромагнитное поле генерируется
между двумя катушками, смонтированными
друг против друга на U- образных стержнях.
Датчик реагирует на появление
металлического объекта в зоне между
катушками.

Автоматическая коробка
передач автомобиля управляется электрогидравлической системой. Сам процесс переключения передач в АКПП происходит за счет давления рабочей жидкости, а управление режимами работы и регулировку потока рабочей жидкости при помощи клапанов осуществляет электронный блок управления. При работе последний получает необходимую информацию от датчиков, которые считывают команды водителя, текущую скорость движения автомобиля, рабочую нагрузку на двигатель, а также температуру и давление рабочей жидкости.

Виды и принцип работы датчиков АКПП

Основной целью системы управления АКПП можно назвать определение оптимального момента, в который должно произойти переключение передачи. Для этого необходимо учесть множество параметров. Современные конструкции оснащены динамической программой управления, позволяющей подбирать соответствующий режим в зависимости от условий эксплуатации и текущего режима движения автомобиля, определяемых датчиками.

В автоматической коробке передач основными являются датчики скорости (определяющие частоту вращения на входном и на выходном валах КПП), датчики давления и температуры рабочей жидкости и датчик положения селектора (ингибитор). Каждый из них имеет свою конструкцию и предназначение. Также может использоваться информация и от других датчиков автомобиля.

Датчик положения селектора

При изменении положения селектора выбора передач его новую позицию фиксирует специальный датчик положения селектора. Полученные данные передаются на электронный блок управления (зачастую он отдельный для АКПП, но при этом имеет связь с ЭБУ двигателя автомобиля), который запускает соответствующие программы. Это приводит гидравлическую систему в действие согласно выбранному режиму движения (“P(N)”, “D”, “R” или “M”). В инструкциях к автомобилям данный датчик часто обозначается как “ингибитор”. Как правило, датчик находится на валу селектора коробки передач, которая, в свою очередь, располагается под капотом автомобиля. Иногда для получения информации он соединен с приводом золотникового клапана выбора режимов движения в гидроблоке.

Датчик положения селектора АКПП можно назвать “многофункциональным”, поскольку сигнал с него также используется для включения огней заднего хода, а также для контроля работы привода стартера в режимах «P» и «N». Существует множество конструкций датчиков, определяющих положение рычага селектора. В основе классической схемы датчика используется потенциометр, который изменяет свое сопротивление в зависимости от положения рычага селектора. Конструктивно он представляет собой набор резистивных пластин, по которым перемещается подвижный элемент (ползунок), который связан с селектором. В зависимости от положения ползунка будет изменяться сопротивление датчика, а значит, и выходное напряжение. Все это находится в неразборном корпусе. При возникновении неисправностей датчик положения селектора можно прочистить, открыв путем высверливания заклепок. Однако настроить ингибитор для повторной работы достаточно сложно, поэтому проще просто заменить неисправный датчик.

Датчик скорости

Как правило, в автоматической коробке передач устанавливаются два датчик скорости. Один фиксирует частоту вращения входного (первичного) вала, второй измеряет частоту вращения выходного вала (для переднеприводной коробки передач – это скорость вращения шестерни дифференциала). Э БУ АКПП использует показания первого датчика для определения текущей нагрузки на двигатель и подбора оптимальной передачи. Данные же со второго датчика применяются для контроля работы коробки передач: насколько правильно были выполнены команды блока управления и была включена именно та передача, которая была необходима.

Конструктивно датчик скорости представляет собой магнитный бесконтактный датчик, основанный на эффекте Холла. Датчик состоит из постоянного магнита и интегральной микросхемы Холла, расположенных в герметичном корпусе. Он фиксирует частоту вращения валов и генерирует сигналы в форме импульсов переменного тока. Для обеспечения работы датчика на валу устанавливается так называемое “импульсное колесо”, имеющее фиксированное число чередующихся выступов и впадин (довольно часто эту роль исполняет обычная шестерня). Принцип работы датчика заключается в следующем: при прохождении зуба шестерни или выступа колеса через датчик изменяется создаваемое им магнитное поле и, согласно эффекту Холла, вырабатывается электрический сигнал. Далее он преобразуется и направляется в блок управления. Низкий сигнал соответствует впадине, а высокий – выступу.

Основными неисправностями такого датчика являются разгерметизация корпуса и окисление контактов. Характерной особенностью является то, что данный датчик нельзя “прозвонить” при помощи мультиметра.

Реже в качестве датчиков скорости могут использоваться индуктивные датчики частоты вращения. Принцип их работы заключается в следующем: при прохождении через магнитное поле датчика зуба шестерни коробки передач в катушке датчика возникает напряжение, которое в форме сигнала передается блоку управления. Последний с учетом числа зубьев шестерни рассчитывает текущую скорость. Визуально индуктивный датчик внешне очень похож на датчик Холла, но имеет существенные отличия по форме сигнала (аналоговый) и условиям работы – он не использует опорное напряжение, а вырабатывает его самостоятельно за счет свойств магнитной индукции. Данный датчик можно “прозвонить”.

Датчик температуры рабочей жидкости

Уровень температуры рабочей жидкости в коробке передач оказывает существенное влияние на работу фрикционных муфт. А потому для защиты от перегрева в системе предусмотрен датчик температуры АКПП. Он представляет собой терморезистор (термистор) и состоит из корпуса и чувствительного элемента. Последний изготавливается из полупроводника, который изменяет свое сопротивление при различных температурах. Сигнал с датчика передается блоку управления АКПП. Как правило, он представляет собой линейную зависимость напряжения от температуры. Показания датчика можно узнать только при помощи специального диагностического сканера.

Датчик температуры может устанавливаться в картере трансмиссии, но чаще всего он встроен в жгут проводов внутри АКПП. При превышении допустимой температуры работы ЭБУ может принудительно снизить мощность, вплоть до перехода коробки передач в аварийный режим.

Датчик давления

Для определения интенсивности циркуляции рабочей жидкости в автоматической коробке передач в системе может быть предусмотрен датчик давления. Их может быть несколько (для различных каналов). Измерение осуществляется путем преобразования давления рабочей жидкости в электрические сигналы, которые подаются в электронный блок управления КПП.

Датчики давления бывают двух типов:

• Дискретные – фиксируют отклонения режимов работы от заданной величины. При нормальном режиме работы контакты датчика соединены. Если давление в месте установки датчика ниже требуемого, контакты датчика размыкаются, а блок управления АКПП получает соответствующий сигнал и передает команду на повышение давления.
• Аналоговые – преобразуют уровень давления в электрический сигнал соответствующей величины. Чувствительные элементы таких датчиков способны изменять сопротивление в зависимости от степени деформации под действием давления.

Следует отметить, что при выходе из строя любого из вышеперечисленных датчиков автомобиль может перейти в «аварийный режим». Для более детального обнаружения неисправности можно провести самостоятельную диагностику, к примеру, недорогим мультимарочным сканером Rokodil ScanX.

Сканер укажет на точную причину неисправности, после чего ее можно устранить самостоятельно или с помощью специалистов СТО. Если проблему на месте решить нет возможности, а автомобиль все еще находится в “аварийном режиме”, следует проверить уровень масла в АКПП, а также удостовериться, не вытекает ли трансмиссионная жидкость и нет ли запаха горелого масла. Если вы обнаружили подобные признаки, то ехать дальше не стоит. В случае их отсутствия с помощью сканера можно вывести авто из “аварийного режима” и доехать до ближайшего сервиса.

Вспомогательные датчики управления АКПП

Помимо основных датчиков, относящихся непосредственно к коробке передач, ее электронный блок управления также может использовать информацию, полученную из дополнительных источников. Как правило, это следующие датчики:

• Датчик педали тормоза – его сигнал используется при блокировке селектора в позиции «Р».
• Датчик положения педали газа – устанавливается в электронной педали акселератора. Он необходим для определения текущего запроса режима движения со стороны водителя.
• Датчик положения дроссельной заслонки
  – расположен в корпусе заслонки. Сигнал с этого датчика показывает текущую рабочую нагрузку двигателя и оказывает влияние на выбор оптимальной передачи.

Совокупность датчиков АКПП обеспечивает ее правильную работу и комфорт при эксплуатации автомобиля. При возникновении неисправностей датчиков нарушается баланс системы, о чем водителя незамедлительно предупредит бортовая система диагностики (т.е. на комбинации приборов загорится соответствующая “ошибка”). Игнорирование сигналов о неисправности может повлечь за собой серьезные проблемы в основных узлах автомобиля, поэтому при обнаружении неисправностей рекомендуется сразу обращаться в специализированный сервис.

В статье рассматриваются доступные технологии позиционных датчиков, и в заключение приводится сравнение основных характеристик.

Датчики положения применяются в широком спектре приложений автоматизации и измерений.

Ключевым шагом в выборе подходящего датчика положения является понимание требований к габаритам датчика, разрешению, повторяемости, точности, монтажным ограничениям и устойчивости к воздействию окружающей среды. В данной статье рассматриваются доступные технологии позиционных датчиков, и в заключение приводится сравнение основных характеристик.

Датчики положения – основные термины

Инкрементный датчик

Предоставляет только информацию об изменении положения, поэтому при включении питания фактическое положение неизвестно. Для подсчета абсолютного положения необходимо получить сигнал индекса. Сигнал индекса/маркера, поступающий с датчика в систему один раз за оборот, определяет нулевое положение или нуль устройства. Он обнаруживается во время процедуры наведения, то есть возвращения в точку отсчета. Для коммутации бесколлекторного мотора обычно используются три магнитных датчика Холла, получая грубое абсолютное положение для предварительного выравнивания магнитных полей. Инкрементные датчики обычно небольшие, точные и экономически выгодные.

Абсолютный датчик

Определяет и выдает информацию о фактическом физическом положении в пределах одного оборота или в диапазоне линейного перемещения сразу при включении питания. Двигателю не требуются датчики Холла, а возвращение в исходное положение и считывание нуля необходимо только для поворотных приложений, если диапазон перемещения превышает один оборот. Такие датчики обычно больше и дороже, чем инкрементные устройства.

Многооборотный датчик

Вычисление положения более чем в рамках одного оборота может быть реализована несколькими путями, например, энкодер может быть оснащен дополнительным механическим узлом или микросхемой памяти.

Многооборотный датчик с дополнительным механическим узлом

Поворотные устройства, обеспечивающие вычисление фактического положения в течение нескольких оборотов. Наведение (возвращение в точку отсчета) может быть полностью исключено. Многооборотные устройства такого типа обладают встроенным редуктором и являются наиболее громоздким и дорогостоящим решением.

Многооборотный датчик с  функцией подсчета оборотов при прохождении нуля

Многооборотные энкодеры, подсчитывающие количество пройденных нулевых меток. Таким образом задача вычисления положения за пределами одного оборота решается математически, а датчик оснащается энергонезависимой микросхемой памяти вместо механического узла, поэтому массогабаритные характеристики и стоимость такого дало несущественно отличается от однооборотного аналога.

 

Определяет наименьшее приращение положения, которое может быть пройдено или измерено, и обычно выражается в “отсчетах”. Высокое разрешение требуется для высокопроизводительных сервосистем. Система позиционирования “замирает” между двумя отсчетами, поэтому чем выше разрешение, тем меньше замирание. Разрешение также оказывает значительное влияние на пульсацию скорости на низких скоростях. Поскольку скорость определяется обратной связью по положению, при низком разрешении в посылке может быть недостаточно данных для точного определения скорости. На высоких скоростях устройства с высоким разрешением могут выдавать данные с частотой, превышающей возможности отслеживания контроллера или сервопривода.

Интерполяция

Как мы увидим, многие датчики генерируют синусоидальные и косинусоидальные сигналы. Период этих сигналов определяется присущим устройству “шагом”. Теоретически можно получить бесконечное разрешение, вычисляя отношение сигналов синус/косинус. Этот принцип известнен как интерполяция. На практике достоверность сигналов sin/cos и отношение сигнал/шум ограничивают реализуемое разрешение.

Точность

Определяет, насколько близко каждое измеренное положение к фактическому физическому положению. Точность во многом зависит от системы и может быть обусловлена механическими ошибками, такими как эксцентриситет, прямолинейность и плоскостность. Погрешности датчиков включают не накапливающиеся случайные вариации шага (линейность), накапливающиеся ошибки шага (смещение) и вариации в искажениях внутренних сигналов sin/cos. Производители прецизионных станков обычно калибруют погрешности с помощью таблицы отклонений.

Повторяемость

Определяет диапазон измеренных положений при многократном возвращении системы в одно и то же физическое положение. Повторяемость может быть важнее абсолютной точности. Для эффективной калибровки неточностей системы важно, чтобы считывания каждого положения были одинаковыми. Гистерезис датчика (различные показания в зависимости от направления приближения к месту измерения) является важным фактором повторяемости.

Модульные энкодеры

Наиболее распространенное исполнение вращающегося датчика обратной связи – корпусированный с подшипниками и валом для подключения к двигателю через гибкую муфту. Корпуса могут иметь различные степени защиты и являются громоздкими. Модульные устройства поставляются без корпуса и не имеют подшипников, они должны быть встроены в механическую систему, разработанную заказчиком. Такие энкодеры состоят из считывающего устройства и шкалы, они значительно компактнее, но в зависимости от технологии возможны более строгие требования к окружающей среде и условиям эксплуатации.

Радиальная/аксиальная установка

В случае модульного углового энкодера, установка считывающей головки возможна в двух вариантах. Чаще всего считывающее устройство располагается вне оси вала узла, по радиусу, над шкалой, которая оборачивается вокруг оси вращения вала. Во втором случае датчик располагается аксиально, что позволяет минимизировать размер в условиях ограниченного радиального пространства.

Потенциометры

Несмотря на тенденцию к использованию бесконтактных датчиков положения, потенциометры по-прежнему широко используются в приложениях низшего класса. Потенциометры измеряют падение напряжения при скольжении контакта(ов) по резистивной дорожке. Они могут быть вращающимися, линейными или криволинейными и, как правило, компактными и легкими. Простое устройство очень недорогое, в то время как более точная версия может стоить до 200 долларов и выше. Линейность менее 0,01% достигается путем лазерной обрезки резистивных дорожек.

Потенциометры лучше всего использовать в приложениях с низкой производительностью и низким рабочим циклом в благоприятных условиях. Они подвержены износу и воздействию посторонних частиц, таких как пыль или песок. Теоретически потенциометры имеют бесконечное разрешение, но на практике разрешение ограничено интерфейсом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и общей шумовой обстановкой.

Сильные стороны потенциометров:

• простота;
• компактность;
• малый вес.
• можно добиться высокой точности.

Слабые стороны потенциометров:

• вибрация;
• чувствительность к загрязнениям,
• чувствительность к экстремальным температурам.

Оптические энкодеры – трансмиссионные

В трансмиссионном (работающем на просвет) энкодере используется оптическое сканирование тонкой решетки или “шкалы”, освещаемой светодиодным источником света. Шкала, поворотная или линейная, состоит из прозрачных и непрозрачных “линий”, которые расположены в соотношении 50 на 50. Количество прозрачных областей на диске соответствует шагу шкалы, который определяет разрешение энкодера.

Датчик генерирует напряжение, пропорциональное интенсивности падающего света. При перемещении датчика относительно шкалы напряжение изменяется синусоидально. Второй датчик света добавляется со сдвигом фазы на 90°. Это соответствует смещению на половину линии шкалы. Сигнал от датчика A опережает сигнал от датчика B или наоборот, что определяет направление перемещения. На выходе энкодера могут быть сигналы sin/cos, но чаще всего сигналы преобразуются в прямоугольные импульсы: A квадрат B (квадрат означает сдвиг фазы на 90°). Контроллер считывает переходы по фронту каждого импульса, что эффективно увеличивает разрешение энкодера в 4 раза.

Обычно габариты детекторов превышают ширину линии шкалы. При высоких разрешениях это может привести к перескакиваниям между каналами. Добавление маски, соответствующей рисунку каналов, помогает получить чистый сигнал. Недостатком в этом типе конструкции является то, что воздушный зазор между шкалой и датчиком должен быть очень небольшой, что накладывает жесткие требования на характиристики диска, такие как плоскостность и эксцентриситет, делая устройство более уязвимым к ударам и вибрации.

В инкрементных энкодерах с фазированной решеткой используется твердотельная технология, обеспечивающая более надежное решение. Вместо дискретного детектора для каждого канала, в устройстве с фазированной решеткой используется множество детекторов, так что каждый канал охватывается несколькими. Такой подход усредняет оптический сигнал, минимизируя отклонения, обусловленные производственными погрешностями, такими как эксцентриситет диска и несоосность, улучшая характеристики датчика при ослаблении заводских допусков.

По умолчанию инкрементный энкодер имеет дополнительную дорожку на шкале с одной прозрачной линией и отдельным датчиком. Датчик генерирует индексный сигнал, определяющий нулевое положение устройства. Абсолютные версии трансмиссионных энкодеров включают в себя несколько дорожек, источники света и датчики, которые определяют фактическое положение в пределах одного оборота. Посредством механического сцепления одного диска со вторым через передаточный механизм возможно определение положения за несколько оборотов (функция многооборотности).

Сильные стороны трансмиссионных энкодеров:

• разрешение среднего класса;
• хорошая точность;
• высокая повторяемость;
• невысокая стоимость.

Слабые стороны трансмиссионных энкодеров:

• громоздкость;
• чувствительность к внешним загрязнениям для модульных устройств.

Оптические энкодеры – рефлективные

Принцип работы отражательного оптического энкодера очень схож с принципом работы трансмиссионного. В рефлективном энкодере луч света излучается с той же стороны, где размещен датчик (относительно кодового диска), и часть света выборочно отражается от шкалы на датчик. Несомненным преимуществом такого решения является уменьшение габаритных размеров. Без коллимационной оптики, которая обычно требуется в пропускающих энкодерах, и со светодиодным источником света, установленным на той же стороне, что и датчик, общий габарит энкодера может быть значительно уменьшен. Стоит отметить, разрешение и точность при этом обычно не такие высокие, как у трансмиссионного энкодера.

Сильные стороны рефлективных энкодеров:

• разрешение и точность среднего класса,
• высокая повторяемость;
• экономически выгодны.

Слабые стороны рефлективных энкодеров:

• чувствительность к воздействиям окружающей среды.

Оптические энкодеры – интерферометрические

Источник когерентного лазерного излучения генерирует расходящийся луч, который освещает рисунок дифракционной решетки, нанесенный на шкалу.  Рисунок решетки создается либо с помощью хромового напыления на стеклянную шкалу, либо с помощью линий, нанесенных лазером на металлическую ленту. Решетка с шагом 20 мкм дифрагирует свет, создавая высококонтрастную интерференционную картину светлых и темных участков непосредственно на матрице детектора. При инкрементном способе измерения обычно предусмотрена дополнительная дорожка с индексом/маркером.

Дифрагированный свет создает дискретные плоскости Тальбота интерференционной картины. В приведенном примере используется 3-я плоскость Тальбота. При изменении относительного положения шкалы и детектора дифракционная картина перемещается по матрице детектора, что приводит к синусоидальному изменению в каждой ячейке детектора.

Интерферометрическая технология требует минимального количества оптических компонентов, что позволяет изготавливать датчики небольшого размера. Разрешение без интерполяции обычно более чем на порядок выше, чем у пропускающих или отражающих оптических энкодеров. Благодаря достоверности синусоидальных и косинусоидальных сигналов возможна высокая интерполяция, обеспечивающая нанометровое разрешение с высокой точностью. Учитывая прецизионность устройства, допуски на выравнивание не являются чрезмерно строгими.

Этот тип энкодера требует чистой среды. Использование менее когерентного светодиодного источника света в сочетании с коллимирующей и фильтрующей оптикой значительно повышает устойчивость к загрязнениям. При этом энкодер неизбежно увеличивается в габаритах и, как правило, имеет более жесткие допуски на выравнивание.

Сильные стороны интерферометрических энкодеров
:

• высокое разрешение,
• точность,
• повторяемость;
• компактность;
• умеренные допуски на выравнивание.

Слабые стороны интерферометрических энкодеров:

• чувствительность к внешним загрязнениям в связи с использованием эффекта Тальбота.

Технологии абсолютного измерения для оптических энкодеров

Абсолютная шкала, показанная выше, имеет несколько кодов, напоминающих штрих-коды. Количество битов кода определяет количество уникальных кодов и, следовательно, максимальную длину или окружность шкалы. Камера фиксирует код, а последующая обработка определяет абсолютное положение. При таком подходе увеличивается время ожидания (время получения показаний). В некоторых энкодерах для уменьшения задержки используется переход к инкрементной дорожке после первоначального определения абсолютного положения. Интерфейсом для этого типа энкодера обычно является последовательный интерфейс, такой как BiSS-C или SSI.

Метод штрих-кода может быть дорогостоящим. Гораздо более экономически эффективным решением является использование нескольких индексов. Каждая пара индексов разделена уникальным количеством линий, как видно на инкрементальной и псевдоабсолютной дорожках. При запуске необходимо совершить небольшое движение, чтобы были обнаружены два соседних индекса. Во время этого процесса подсчитывается количество линий на инкрементной дорожке. С помощью таблицы соответствия можно определить абсолютное положение. Недостатком является требование совершения движения перед определением абсолютного положения.

Сильные стороны абсолютных энкодеров:

• умеренные допуски на выравнивание.

Слабые стороны абсолютных энкодеров:

• чувствительность к окружающей среде;

• стоимость истинно абсолютных датчиков может быть высокой.

Магнитные энкодеры

В магнитном энкодере используется многополюсная магнитная дорожка. Датчик, на эффекте Холла или магниторезистивный, измеряет изменение магнитного потока при перемещении магнитных полюсов относительно считывателя. Синусоидальные и косинусоидальные сигналы могут генерироваться так же, как и в оптическом энкодере.

Магниторезистор изготавливается из магниточувствительного сплава, такого как никель-железо. Внешнее магнитное поле воздействует на магнитные домены материала, изменяя сопротивление. Магниторезистивный датчик состоит из массива тонкопленочных резисторов с литографическим рисунком. При прохождении полюсов ротора мимо массива датчиков сопротивление изменяется синусоидально.

Датчик Холла состоит из слоя полупроводникового материала, обычно p-типа, подключенного к источнику питания. Приложенное магнитное поле оказывает силу (силу Лоренца) на носители заряда, создавая разность потенциалов. Датчик Холла генерирует напряжение, которое зависит от силы перпендикулярной составляющей магнитного поля.

По своей сути устройство является инкрементным, и на рисунке выше показана индексная дорожка для определения нулевого положения. Можно добавить второй датчик и магнитную дорожку с другим числом полюсов. Для определения абсолютного положения используется комбинация показаний с каждой дорожки.

Магнитные энкодеры прочны, компактны и могут быть очень недорогими. Однако они чувствительны к воздействию магнитных полей, и между датчиками, расположенными в непосредственной близости друг от друга, могут возникать наводки. Изготовить магнитную дорожку с мелким шагом достаточно сложно, что ограничивает разрешение. Повторяемость ухудшается из-за гистерезиса, а точность изменяется в диапазоне рабочих температур. Магнитная дорожка относительно хрупкая и может быть чувствительна к ударам.

Сильные стороны магнитных энкодеров:

• прочные;
• компактные;
• устойчивы к воздействию жидкостей и неметаллических загрязнений;
• исполнения с аксиальным расположением.

Слабые стороны магнитных энкодеров:

• температура;
• гистерезис;
• восприимчивость к магнитным полям;
• чувствительность к ударам/тряске.

Емкостные энкодеры

Емкостные датчики основаны на принципе, согласно которому емкость пропорциональна диэлектрику между двумя заряженными пластинами. Как показано на рисунке, между емкостно связанными передатчиком и приемником создается электрическое поле. Ротор синусоидально модулирует диэлектрик ԑ, вызывая изменение емкости. Изменение емкости, в свою очередь, модулирует разность потенциалов между передатчиком и приемником. Для определения абсолютного положения используются несколько модулирующих дорожек.

Емкостные энкодеры компактны и потребляют очень мало энергии. Однако они чувствительны к конденсату и накоплению электростатического заряда. Емкость также изменяется в зависимости от температуры, влажности, окружающих материалов и посторонних примесей, что делает создание стабильного высокоточного датчика положения сложной задачей. Компоненты устройства имеют очень маленькие воздушные зазоры, требующие тщательной установки.

Сильные стороны емкостных энкодеров:

• компактность;
• низкое энергопотребление.

Слабые стороны емкостных энкодеров
:

• устойчивость к воздействию окружающей среды;
• допуски на выравнивание,
• стоимость высокоточных датчиков.

Резольверы

Резольверы основаны на принципе электромагнитной индукции – переменный ток в одном проводнике создает изменяющееся магнитное поле вокруг проводника. Это магнитное поле может индуцировать переменный ток в соседнем проводнике. Амплитуда колебаний в проводниках зависит от скорости изменения магнитного поля и взаимного расположения и геометрии проводников.

Как показано на рисунке ниже, синусоидальное опорное напряжение 5 кГц (тип.) в статоре индуцирует синусоидальное напряжение на обмотке ротора. Затем вторая, осевая, обмотка ротора индуцирует напряжение в двух осевых сигнальных обмотках, смещенных на 90 ͦ по отношению к статору. Величина сигнала на обмотках статора является функцией относительного положения ротора, который эффективно модулирует сигналы статора по амплитуде, как показано на рисунке.

На рисунке выше ротор для наглядности показан вне статора. Радиальные обмотки статора взаимодействуют только с радиальными обмотками ротора. В свою очередь, осевые обмотки ротора взаимодействуют только с осевыми обмотками статора. Это делается для того, чтобы избежать связи опорной обмотки статора с сигнальными обмотками статора. Намотка резольвера не является тривиальной, и в итоге получается тяжелое и громоздкое устройство. Однако резольвер обладает непревзойденной прочностью, поскольку в устройстве нет электроники или хрупких деталей.

Резольверы выпускаются с различными вариантами “скоростей”. Односкоростной резольвер имеет один цикл электрической синусоиды на оборот и предоставляет абсолютную информацию о положении с ограниченным разрешением. Многоскоростной резольвер наматывается для большего количества электрических циклов на оборот, что повышает разрешение. Более высокое соотношение электрических и механических циклов также помогает минимизировать влияние механических источников ошибок. Многоскоростные резольверы не являются абсолютными, они дороже и, как правило, еще более громоздкие.

Сильные стороны резольверов:

• умеренное разрешение и точность;
• надежность;
• высокая прочность.

Слабые стороны резольверов:

• дорогие;
• громоздкие;
• тяжелые.

Индуктивные энкодеры

Абсолютный индуктивный энкодер основан на том же принципе электромагнитной индукции, что и резольвер, но вместо обмоток катушки используются дорожки печатной платы. Дорожка TX на статоре (антенна) возбуждается определенной частотой в диапазоне 1-10 МГц. Этот сигнал индуктивно соединяется с ротором (мишенью) с помощью резонансного LC-контура. Магнитное поле мишени индуцирует синусоидальный ток в дорожке RX статора. Дорожка RX имеет синусоидальную форму, которая эффективно амплитудно модулирует индуцированный сигнал. Вторая дорожка RX, смещенная на 90 ͦ, передает косинусоидальный сигнал. Синус/косинус сигналы интерполируются и выводятся в виде сигналов BiSS-C, SSI или, в некоторых вариантах, AqB.

Дорожки RX на статоре аналогичны витой паре проводов. Сбалансированный дипольный эффект компенсирует электрические поля, индуцированные в дорожках RX от изменения магнитного поля на дорожке TX. Дорожка RX реагирует только на изменение магнитного поля мишени. Дорожки RX также не чувствительны к внешним электромагнитным помехам. Нежелательные индуцированные токи статора аналогично не оказывают влияния в связи с отличиями по частоте и фазе.

Основная дорожка RX с одним циклом sin/cos на оборот определяет абсолютное положение. Вторичная дорожка с несколькими циклами повышает разрешение. Как правило, основная дорожка TX имеет несколько циклов (например, 9) в сочетании со вторичной дорожкой с числом циклов, не кратным 3 – каждое положение в пределах одного оборота определяется двумя уникальными показаниями.

Использование дорожек печатной платы вместо обмоток резольвера дает значительные преимущества, включая: снижение стоимости, размеров и веса; разнообразие форм-фактора, включая криволинейность; устранение неточностей в процессе намотки; для приложений, связанных с безопасностью, несколько датчиков могут быть размещены в одном пространстве благодаря использованию многослойных печатных плат.

Материал печатной платы очень устойчив к воздействию окружающей среды. Возможность вынесения платы электроники за пределы узла, в котором установлены ротор и статор датчика, еще больше повышает надежность.

Сильные стороны индуктивных энкодеров:

• точность и разрешение среднего класса;
• надежность; прочность;
• множество геометрических форм;
• компактность;
• малый вес.

Слабые стороны индуктивных энкодеров
:

• стандартный минимальный диаметр 37 мм.

Сравнение технологий

Ниже приведено сравнение датчиков обратной связи по положению. Рефлективные (отражательные) энкоедры можно считать аналогичными трансмиссионным энкодерам. Потенциометры исключены, так как они являются контактными устройствами.

Конечная цель – найти наиболее экономически выгодное решение, отвечающее требованиям по точности, габаритам и прочности.

На приведенной выше таблице выделяются два момента:

• интерферометрический энкодер является явным лидером по точности и размерам;
• резольверы и индуктивные энкодеры лидируют по сочетанию устойчивости к жестким условиям эксплуатации и умеренной точности.

Как уже отмечалось, индуктивный энкодер имеет множество преимуществ по сравнению с резольвером, особенно в отношении габаритов и веса.

Несмотря на то, что магнитные энкодеры в большинстве своем рассчитаны на широкий диапазон рабочих температур, изменение точности в зависимости от температуры все же является существенной проблемой. 

Статья подготовлена на основе материалов разработчика и производителя IncOder – Zettlex, Celera Motion

Классификация датчиков

По
характеру получения
 сигнала
от измеряемой величины датчики разделяют
на параметрические,
в которых изменение измеряемой величины
вызывает изменение какого-либо параметра
(например, изменение сопротивления,
давления, индуктивности, и генераторные,
у которых изменение измеряемой величины
вызывает генерацию сигнала (появление
термо-ЭДС, фототока).

По
характеру зависимости выходного сигнала
от входного
 различают
датчики: 
– пропорциональные (сигнал
на выходе пропорционален измеряемой
величине);
– нелинейные (сигнал
на выходе нелинейно зависит от сигнала
на входе); 
– релейные,
в которых сигнал на выходе изменяется
скачкообразно;
– циклические,
у которых сигнал на выходе пропорционален
измеряемой величине или нелинейно
зависит и повторяется циклически; 
– импульсные,
у которых изменение входной величины
вызывает появление сигналов (импульсов),
число которых пропорционально измеряемой
величине. 

По
виду преобразования сигналов
 датчики
могут быть:

электроконтактные,
где механическая сила преобразуется в
электрический сигнал; 

индуктивные,
у которых изменение магнитной проницаемости
вызывает изменение индуктивности; 

фотоэлектрические,
в которых световой сигнал преобразуется
в электрический; тензометрические, в
которых механическая сила вызывает
изменение сопротивления; 

гидравлические,
в которых механические силы преобразуются
в гидравлический сигнал, и т.д.

По
назначению
 в
системах автоматического управления
датчики можно разделить на датчики пути
и положения, скорости, силовые, углового
положения или угла рассогласования и
т. д. Так как датчики можно рассматривать
как составные элементы систем управления,
удобнее их классифицировать по назначению.

Датчики
пути и положения рабочих органов обеспечивают
создание управляющих сигналов в
зависимости от пройденного пути или
положения рабочих органов управляемого
объекта.

Э
Рисунок
3

– Электроконтактный датчик

Электроконтактные датчики представляют
собой конечные, путевые выключатели,
микропереключатели (Рисунок 3). У датчиков
имеются штоки или рычаги 2, которые
воздействуют через механизм передачи
на контакты 1.
Принцип действия датчиков основан на
том, что их устанавливают на неподвижных
частях рабочих органов в определенном
положении, а движущиеся рабочие органы,
на которых укреплены кулачки, достигнув
заданного положения, воздействуют на
датчики, вызывая их срабатывание.

Индуктивные
датчики. Принцип
их действия основан на изменении
индуктивности катушки с подвижным
якорем вследствие  
изменения
магнитной проницаемости. Индуктивные
датчики, как и электроконтактные, можно
использовать как датчики пути или
положения и как размерные. В датчике
якорь 1перемещается.

Гидравлические
датчики представляют
собой обычный управляющий гидрораспределитель
поршневого или кранового
типа (Рисунок 19). Принцип
их действия основан на том, что движущиеся
рабочие органы, на которых размещены
кулачки или упоры 1,
достигнув положения, где установлен
датчик, воздействуют на него, вызывая
сбрасывание. Управляющий гидрораспределитель
обеспечивает сигнал исполнительному
органу (гидродвигателю).
Пневматические
датчики аналогично
гидравлическим выполнены в виде
пневмораспределителей кранового
типа, дросселей
или клапанов. Широкое распространение
получили размерные пневматические
дифференциальные датчики мембранного
и сильфонного типа с электроконтактным
выходом.

Силовые
датчики 
обеспечивают
создание управляю­щих сигналов в
зависимости от сил, создаваемых в рабочих
органах.

Тензодатчик
приклеивают к испытуемой детали,
благодаря чему деформацию детали
воспринимает проволочная решетка. Длина
детали, занимаемая проволокой, называется
измерительной базой датчика L.

Пьезоэлектрические
датчики для
измерения сил представляют собой
кварцевую пластину С
двух сторон ее напылены или приклеены
токопроводящим клеем электроды, с
которых снимается выходное напряжение.
Пьезоэлектрический
датчик
электрода
и кварцевый диэлектрик образуют
конденсатор, на электродах которого
присутствуют электрические заряды,
возникающие вследствие пьезоэлектрического
эффекта при сжатии кварцевой пластины
силой Р. 

Преобразующие
устройства
 служат
для преобразования управляющих и
информационных сигналов в устройствах
автоматики к виду, удобному для их
последующей обработки или фиксации.
Преобразующие устройства должны иметь
малую инерционность и хорошую
согласованность с другими узлами
автоматики, достаточно высокое
быстродействие.

Соседние файлы в папке гидравлика

Контактные датчики
— это датчики
параметрического типа, в которых
изменяется электрическое сопротивление
при изменении той или иной механической
величины. Они предназначены для
преобразования механического перемещения
в электрический сигнал. При достижении
измеряемой величиной определенного
значения замыкаются или размыкаются
электрические контакты, включенные в
те или иные цепи, которые сигнализируют,
что перемещение больше или меньше
определенного значения.

Контактные датчики
широко применяются в системах
автоматического контроля и сортировки
размеров, а также в системах автоматической
сигнализации различных физических
величин. Статическая характеристика
контактного датчика имеет релейный
характер, так как его выходная величина
— сопротивление электрической цепи —
изменяется скачком.

На рис. 3.1, а
изображен
простейший контактный датчик с одной
парой контактов — однопредельный.
Замыкание контактов1 и 2
происходит в
результате изменения размера изделия
И. Если размер изделия И увеличивается,
то измерительный щуп 3
перемещается
вверх, в результате чего контакты 1
и 2
приходят в
соприкосновение. При этом активное
сопротивление между контактами 1 и 2
изменяется от бесконечности до ничтожно
малого значения, определяемого контактным
сопротивлением. Выводы датчика
подключаются к сигнальному устройству.
Пружина 4
соединяет
измерительный щуп 3
с одним из
выводов.

Рисунок 3.1 Основные
типы контактных датчиков:

а- однопредельный,
б- двухпредельный, в,г- многопредельные.

На рис. 3.1, б
изображен
двухпредельный контактный датчик — с
двумя парами контактов, способный
реагировать на перемещение щупа в обе
стороны от начального (нулевого)
положения. Подобные датчики широко
используются для автоматического
контроля размеров деталей и подсчета
количества выпускаемой продукции.

Многопредельный
контактный датчик с несколькими парами
контактов показан на рис. 3.1, в.
Его контакты
1, 2′ и
3′ замыкаются
последовательно друг за другом в
зависимости от размеров деталей. Стрелка
измерительного прибора, включенного
на выходе датчика, показывает три
размера.

Иногда контактные
датчики могут работать либо на замыкание
(размыкание) всей цепи, либо на замыкание
части одного из сопротивлений R
резистора цепи
(рис. 3.1, г).