Датчики расстояния SICK - как выбрать? Датчик смещения
Стабильное измерение даже с высокой отражающей способностью материалов, таких как стекло. Гибкое управление аналоговым выходом.Включение сигнала тревоги при достижении граничного значения. Точное детектирование тёмных объектов.
СD4L-25 серия
Зеркальный тип оптики идеально подходит для детектирования стеклчнных и прозрачных объектов. Высокое разрешение и точность. Возможность подключения двух датчиков к одному контроллеру для измерения толщины. Для сортировки возможно подключение пяти независимых выходов
>Устройство и принцип работы оптоволоконного датчикаУСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДАТЧИКА СМЕЩЕНИЯ
Displacement sensors (дословно "датчики сдвига, смещения") - это датчики, используемые в автоматизированных процессах производства для
бесконтактного высокоточного измерения расстояния в диапазоне нескольких десятков миллиметров (от 24 до 700 мм) с максимальной точностью (до 2 мкм).
Такие датчики измеряют профиль, диаметр и толщину объектов, контролируют рабочие процессы и выполняют функции контроля качества.
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 (см. рисунок).
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.
Одна решётка неподвижна, вторая подвижна и может быть механически закреплена на интересующем
объекте или каким-либо способом передавать датчику его движение. Малое смещение подвижной решётки приводит к
изменению интенсивности света, регистрируемой фотодетектором, причём с уменьшением периода решётки точность
датчика возрастает, однако сужается его динамический диапазон.
Displacement sensors - Что это такое?
Для измерения расстояния используются различные датчики и устройства: оптические и ультразвуковые датчики, оптические сканеры, линейные и проволочные энкодеры. Такое разнообразие устройств измерений вызвано тем, что различные производственные задачи требуют различных технологий и принципов измерений.
Оптические датчики направляют световой пучок и принимают информацию об удаленности предмета. Оптические датчики расстояния представляют собой широкую номенклатуру приборов, среди которых выбрать нужную модель, порой, оказывается довольно сложно. Чтобы упростить задачу выбора правильного датчика расстояния, в первую очередь, необходимо определить два критерия: диапазон измерений и точность измерений. Все оптические датчики используют один из двух принципов: (от объекта или рефлектора) или принцип геометрической триангуляции. Отсюда - разделение оптических датчиков на три подгруппы:
| Тип датчика | Оптические датчики расстояния Датчики с отражателями Оптические сканеры, датчики смещения||
| Принцип работы | измерение времени прохождения лучаизмерение времени прохождения луча | принцип геометрической триангуляции |
| Источник сигнала | лазер ИК диод, лазер лазер, красный светодиод или ИК диод||
| Измеряемое расстояние | среднее большое малое||
| Точность измерений | средняя средняя максимально высокая||
| Серии датчиков SICK | DT60, DS60 , DME3000-2 , DS500 , DT500 , DMT10 DL60 , DS60 , DME3000-1 , DME5000 , DML40 , OD HI , OD MAX , OD Value, Profiler, DT2 , DT10
Если требуется датчик расстояния с высокой точностью измерений, до нескольких миллиметров или даже микрометров, ваш единственный выбор - датчик смещений (displacement sensors).
Displacement sensors (дословно "датчики сдвига, смещения") - это датчики, используемые в автоматизированных процессах производства для бесконтактного высокоточного измерения расстояния в диапазоне нескольких десятков миллиметров (от 24 до 700 мм) с максимальной точностью (до 2 мкм). Такие датчики измеряют профиль, диаметр и толщину объектов, контролируют рабочие процессы и выполняют функции контроля качества. В линейку датчиков расстояния SICK входят следующие серии: OD , OD HI , OD MAX , OD Value , Profiler .
Измерения в шкале ММ
Датчики расстояния SICK мгновенно фиксируют самые минимальные отклонения, извилины или неровности - даже в диапазоне мкм. Поэтому такие датчики особенно актуальны для производств, где высочайшее качество продукции ставится во главу угла, где безопасность устройства зависит от точности и ровности поверхности составляющих его компонентов. Другие сферы применения:
Контроль качества, тестирование продукции
- позиционирование объекта в процессе производства
- сортировка продукции.
Технология производства датчиков расстояния
Конструкция датчиков расстояния разработана для реализации двух задач, выполняемых датчиками: максимальная точность измерений и высокая скорость обработки данных при измерениях в диапазоне нескольких миллиметров. В конструкции датчиков расстояния SICK использован триангуляционный метод измерения (в оптических датчиках на большие расстояния используется метод измерения скорости возврата луча). Световой пучок направляется на поверхность тестируемого объекта (источником света может быть, например, лазерный диод). В корпусе датчика установлена оптика приемника, которая принимает отраженные лучи на светочувствительном элементе. В зависимости от положения отраженного луча и известной геометрии определяется расстояние до тестируемого объекта.
Оптика приемника: PSD, CMOS, CCD
Различают три типа оптика приемника датчика смещения: PSD, CMOS и CCD.
PSD - Position Sensitive Devector
, это фотодиод со светочувствительным элементом в форме полоски. Коэффициент двух выходных токов указывает на положение луча на поверхности диода. Основные характеристики PSD технологии:
Относительно хорошее разрешение на однородных и размытых отражающих материалах
- недорогая экономичная технология изготовления
- портативность габаритных размеров датчиков
- относительно высокая скорость измерений
Поэтому PSD датчики рекомендуется применять для решения несложных задач, где стоимость является критичным моментом.
CMOS - Complementary Metal Oxide Semiconductor
, это высокоинтегрированный полупроводниковый компонент, состоящий из несколько "светособирающих" пикселей и схемы обработки данных. Положение тестируемого объекта определяется на основе распределения яркости света. 
Основные характеристики CMOS технологии:
Очень высокое разрешение и точность при работе с любыми материалами (матовыми, блестящими, светлыми и темными поверхностями)
- высокая надежность измерений даже при сильной контрастности (отсутствие "размытых" областей по сравнению с CCD технологией)
- высокая скорость измерений
- недорогое решение
- позволяет создавать сравнительно портативные корпуса датчиков
Т.о., CMOS датчики - это оптимальная технология оптических датчиков расстояния для решения сложных производственных задач.
3.5. Электростатические приборы
В электростатических приборах используется энергия взаимодействия заряженных проводников, которая описывается с помощью величины емкости С системы. На Рис. 11 показана схема работы такого прибора
Рис. 11. Схема работы электростатического прибора на основе взаимодействия заряженных проводников. 1, 2 – неподвижные пластины (обкладки), 3 – подвижная пластина (обкладка), 4 – ось вращения ОО` подвижной пластины
Соответствующие выражения для энергии системы W , вращающего моментаM вр , действующего на пластинку проводника, и угла поворота , приведены ниже:
, (3.5.1)
, (3.5.2)
(3.5.3)
Подводящие электроды (зажимы), на которые подается измеряемое напряжение U , соединены с подвижной и неподвижными пластинами. Благодаря этому заряды подвижной и неподвижной пластины имеют противоположные знаки.
В электромеханических приборах осуществляются преобразования:
(3.5.4)
поэтому они могут использоваться в цепях постоянного и переменного тока. Такие приборы имеют широкий частотный диапазон, небольшую потребляемую мощность и не подвержены воздействию внешних магнитных полей.
4. Датчики смещения
4.1. Резистивные датчики смещения
Датчики смешения могут измерять как линейный сдвиг (при поступательном движении), так и угол поворота (при вращении) объекта. Они классифицируются в соответствии с используемым принципом преобразования. В настоящее время применяются резистивные, емкостные, индуктивные и оптические датчики. Механические датчики называются также тензодатчиками или сенсорами.
Распространенным типом датчика смещения является потенциометрический датчик, который в случае измерения сдвига представляет собой движковый потенциометр. Для измерения угла поворота используется поворотный потенциометр. Проволочные потенциометры обычно имеют большую точность и небольшой температурный коэффициент. Однако не очень большая разрешающая способность проволочных датчиков смещения ограничивает их возможности. Недостатком всех датчиков потенциометрического типа является механический износ и химическая коррозия, способные изменить передаточную характеристику датчика в течение его срока службы.
В качестве примера датчика линейного смещения приведем параметры проволочного движкового потенциометра, имеющего 1000 витков провода из нихрома (NiСг):
длина - 25 см, полное сопротивление - 300 Ом, нелинейность - 10 -3 максимальное разрешение - 103, температурный коэффициент - 2×10 -4 К -1 ,
сила трения -0,5 Н.
Потенциометрический датчик смещения становится нелинейным, когда он нагружен. Относительная ошибка, появляющаяся при подключении нагрузки, равна нулю при х = 0 илих = I и максимальна прих = 0,5 (х - относительное положение подвижного контакта (движка) на длине резистора, так что 0 ≤х ≤ 1). Когдах = 0,5. относительная ошибка равна ~R /4R l , гдеR - полное сопротивление потенциометра, аR l - сопротивление нагрузки.
4.2. Тензорезистивный эффект
В другом типе резистивного датчика смещения используется тот факт, что электрическое сопротивление проводника зависит от размеров проводника. Сопротивление R каждого конкретного проводника зависит от трех параметров. Оно прямо пропорционально удельному сопротивлению материала - , его длине -l и обратно пропорционально площади поперечного сечения –S :
(4.2.1)
Если проводник механически растягивается или сжимается, то его параметры S ,l и изменяются и, как следствие, меняетсяR . Это дает возможность измерять очень малые перемещения. На Рис. 12 показан отрезок проволоки (тензодатчик), который удлиняется на
Р
ис.
12. Свободновисящая растягиваемая
проволока.
величину l при прикладывании растягивающих усилий. Используя разложение в ряд величиныR по малым изменениям параметров ,l , иS , можно вычислить чувствительность этого проволочного датчика деформации
Если относительное приращение каждой
из величин S
,l
,
мало, т.е.S
/
S
,l
/
l
,
/
1,
то можно пренебречь членами второго и
более высоких порядков относительных
приращений. Вычитаяиз обеих частей равенства, получаем
следующее дифференциальное уравнение:
(4.2.3)
При условии, что удельное сопротивление является функцией длины = (l ), площадь поперечного сечения является функцией диаметраS =S (d ), а сам диаметр является функцией длиныd =d (l ). это уравнение в частных производных примет вид:
(4.2.4)
Разделим левую и правую часть на
,
умножим числитель и знаменатель правой
части наl
, вынесем за
квадратные скобкиdl
/
l
.
Полученное выражение определяет
относительное изменение сопротивления
R
при изменении длины проволоки
l
(4.2.5)
Множитель в квадратных скобках определяет
чувствительность -
проволоки к изменению длины
(4.2.6)
Подставляя известные соотношения
- электрическое сопротивление,
- гдес
– постоянная, зависящая от
материала,
- площадь поперечного сечения проволоки
(круг диаметром –d
),
,
где
-
коэффициент
Пуассона,
в выражение для чувствительности
,
получим после упрощения следующее
выражение для коэффициента чувствительности
k = 
, (4.2.7)
Если при растяжении проволоки ее объем остается неизменным, то = 0,5. Для многих материалов 0,3. Удельное сопротивление большинства металлов не зависит от растяжения, поэтому можно положитьс 0 и
(4.2.8)
Следовательно, для большинства металлов коэффициент чувствительность kдатчика на основе тензорезистивного эффекта приблизительно равна 2.
Для большинства металлов справедливо утверждение, что объем проводника и удельное сопротивление не изменяются при наличии растягивавших или сжимающих усилий, т.е. отсутствует пьезорезистивный эффект. В результате у металлических тензодатчиков получаем:
. (4.2.9)
Полупроводниковые материалы обычно имеют значение величины k много больше 2. Это связано с тем фактом, что в этих материалах доминирует пьезорезистивный эффект и не выполняется условиес 0.
Для полупроводника с примесями
, (4.2.10)
где n - концентрация примеси, q - заряд, - подвижность носителей заряда. Так как
= q/m , (4.2.11)
где т - масса, а - среднее время жизни свободных носителей заряда
находим, что
= 1/nq=m */nq 2 (4.2.12)
Здесь т * - эффективная масса свободных носителей заряда определяемая взаимодействием между носителями заряда и кристаллической решеткой.
Когда материал подвергается механическому воздействию, взаимодействие носителей заряда с деформированной кристаллической решеткой меняется, поэтому эффективная масса, может существенно измениться. Кремниевый тензодатчик при определенных ориентациях кристалла обладает настолько сильным пьезорезистивным эффектом, что коэффициент чувствительности может k превзойти 200.
Характерным признаком, отличающим полупроводники, является отрицательный температурный коэффициент сопротивления ;
здесь
- сопротивление полупроводникового
тензодатчика при температуреT
1
,
-
сопротивление полупроводникового
тензодатчика при температуреT
0
.
Иными словами, в отличие от металлов
сопротивление полупроводников, как
правило, уменьшается с ростом температуры<приT
1
>
T
0
.
Полупроводниковые тензодатчики имеют очень высокую чувствительность, однако, они характеризуются сильной нелинейностью и значительным температурным коэффициентом сопротивления. Возьмем, к примеру, тензодатчик из металлической фольги: материал - константан; коэффициент чувствительности k = 2,00 ± 1%; сопротивлениеR - 120 Ом ± 1%; диапазон измерения 10 -6 ≤dl/l ≤10 -2 ; нелинейность 10 -3 приdl/l < 10 -3 ; температурный коэффициент сопротивления 2×10 -3 К -1 ; коэффициент теплового расширения 1,4×10 -5 К -1 ; термоэлектрический потенциал контакта константана с медью 43 мкВ/К. Для сравнения приведем типичные параметры полупроводникового датчика, имеющим следующие параметры: чувствительность - k 50 - 200; нелинейность 10 -2 для диапазона измерения dl/l < 10 -3 ; температурный коэффициент k приблизительно равен 10 -3 К -1 .
Конструкция тензодатчика из фольги приведена на Рис. 13, где полоски металлической фольги, выполненные в виде меандра, сделаны значительно шире в местах поворота для того, чтобы уменьшить чувствительность этого датчика к деформации, направленной перпендикулярно к рабочей оси. Если кроме величины деформации мы хотим также измерить направление деформации, то применяется комбинация тензодатчиков, образующих определенную геометрическую структуру, например, три тензодатчика, ориентированные под углом 120° один по отношению к другому. Эта конструкция известна под названием розеточный тензодатчик.
Рис. 13. Тензодатчик в виде полоски металлической фольги, выполненные в виде меандра.
Для измерения линейной деформации в механической конструкции тензодатчик приклеивают к этой конструкции в направлении ожидаемого воздействия. Характеристики отвердевшего клея и основы датчика вызывают эффекты ползучести. Если деформация долговременна, то металлическая фольга или проволока будут медленно возвращаться к первоначальному ненапряженному состоянию (релаксация напряжений). При более высоких температурах этот эффект выражен особенно сильно. Кроме того, подложка датчика и соединяющий клей могут привести к появлению гистерезиса. После снятия воздействия металлическая фольга или проволока не сразу возвращаются к своему первоначальному состоянию, и будет казаться, что все еще имеется небольшое остаточное воздействие. Для ослабления эффектов ползучести и гистерезиса клей и основа датчика должны быть тонкими, твердыми и иметь большие модули Юнга.
Металлический проводник тензодатчика, его основа и материал конструкции, к которой прикреплен датчик, должны иметь один и тот же коэффициент теплового расширения. Если соответствующие коэффициенты не равны, то вследствие изменения температуры будет наблюдаться кажущаяся деформация. Кроме того, дополнительно появится кажущаяся деформация, вызванная отличным от нуля температурным коэффициентом сопротивления используемого материала проводника. Поэтому часто применяют второй тензодатчик, компенсирующий эти эффекты. Второй датчик расположен так, чтобы подвергаться тем же самым (тепловым) возмущениям, но не испытывать никаких усилий (так называемый пассивный или фиктивный тензодатчик) (на Рис. 14 это элемент R 4). Датчики включены в мост Уитстона в местах расположения резисторов R 1 , и R 4 (Рис. 17). Таким образом, влияние большинства мешающих воздействий может быть значительно уменьшено.
Рис. 15 и 16 иллюстрируют соответственно метод измерения изгиба консольной балки и скручивания вала с помощью четырех тензодатчиков, прикрепленных к валу под углом 45° к оси скручивания. На, Рис. 17 изображена схема моста Уитстона для компенсации мешающих воздействий. Если тензодатчики R 1 ,R 2 ,R 3 ,R 4 соединены так, как показано на Рис. 17, то измерение линейной деформации (см. Рис. 14) будет нечувствительно к температуре, измерение изгиба, измерение линейной деформации (Рис. 15) к растяжению и температуре, а измерение скручивания (Рис. 16) к растяжению, изгибу, температуре и температурному градиенту вдоль вала.
Рис. 14. Металлический тензодатчик для измерения линейной деформации. К
Рис. 15. Метод измерения изгиба консольной балки.
Рис. 16. Измерения скручивания вала с помощью четырех тензодатчиков, прикрепленных к валу под углом 45° к оси скручивания
источник
напряжения
Рис. 17 Схема компенсационного моста Уитстона
Для случаев, показанных на Рис. 14, и Рис. 15, резисторы моста R 2 и R 3 имеют постоянные величины, сопротивление которые выбирают из соображений максимальной чувствительности моста.