Механические сенсоры перемещения. Принципы работы глобальной системы ориентирования и сенсоры GPS

3.5.3. Инкрементные энкодеры

В инкрементных энкодерах используют конструкцию, аналогичную показанной на рис. 3.14, однако счетный диск имеет, как правило, лишь одну дорожку, на которой прозрачные и непрозрачные участки чередуются. И соответственно вместо линейки фотодетекторов используют лишь 1 или 2 фотодетектора – в зависимости от того, возможно вращение диска лишь в одном или в обоих направлениях. На рис. 3.14, а показано взаимное расположение счетного диска 1, блока фотодетекторов 2 и светового зонда 3 от светодиода. Если диск 1 может вращаться лишь в одном направлении, то достаточно одного фотодетектора. На выходе сенсора будет формироваться последовательность импульсов с периодом, обратно пропорциональным скорости вращения диска. Появление следующего импульса свидетельствует о повороте диска на угол 360 / , где – количество пар непрозрачных и прозрачных участков на диске.

Рис. 3.14. К объяснению принципа действия инкрементного энкодера

Если диск может вращаться в обоих направлениях, и информация об этом важна, то блок 2 состоит из двух фотодетекторов 4 и 5, размещенных вдоль дорожки на расстоянии меньше, чем ширина прозрачного или непрозрачного участка. Выход сенсора в этом случае является двухканальным. На выходе А формируются импульсы от фотодетектора 4, а на выходе Б – от фотодетектора 5. Если диск 1 вращается против часовой стрелки, то импульсы на выходе А появляются чуть раньше, чем импульсы на выходе Б ( рис. 3.14, б ). При вращении диска по часовой стрелке порядок появления импульсов – обратный ( рис. 3.14, в ).

Иногда на счетном диске делают дополнительное прозрачное окошко на соседней дорожке (одно на всю дорожку) и ставят еще один фотодетектор, сигнал от которого выводят на дополнительный канал синхронизации. Этот канал используют для фиксации начала отсчета и для компенсации погрешностей, которые могут накапливаться при большом числе оборотов.

Для механического соединения вала углового энкодера с контролируемым механизмом используют специальные соединители, которые, с одной стороны, точно передают поворот практически без люфта, и вместе с тем, благодаря гибкости, гасят биения валов как поперек, так и вдоль оси вращения. Это требуется для защиты прецизионных подшипников и оптоэлектронных деталей.

На рис. 3.15 показаны примеры абсолютных и инкрементных энкодеров, которые выпускаются промышленностью.

Рис. 3.15. Некоторые промышленные абсолютные и инкрементные энкодеры

Их внешний диаметр составляет 50-60 мм, количество импульсов, которые выдаются за один полный оборот – от 2 до 32768, максимальная рабочая скорость вращения – от 3000 об./мин до 12000 об./мин.

3.5.4. Интеллектуальные тахометры

Угловые энкодеры ныне все чаще применяют совместно с интеллектуальными электронными модулями. Такие сенсоры называют "интеллектуальными тахометрами" (http://www.wachendorff.de/ie_pdf_files/imi.pdf). На входы такого небольшого устройства поступает от энкодера последовательность импульсов, которую в реальном времени быстро обрабатывает микропроцессор. Он подсчитывает общее число импульсов, пришедших от инкрементного энкодера, начиная от указанного момента времени. А зная угол поворота, который соответствует одному импульсу, тахометр мгновенно вычисляет угловое положение контролируемого объекта в любой момент времени, может запоминать всю динамику вращения с заданной дискретностью.

Получая импульсы от двухканальных инкрементных энкодеров, интеллектуальный тахометр при вычислении текущего углового положения может учитывать и смену направления вращения. По временным интервалам между поступлением импульсов микропроцессор может вычислить мгновенную угловую скорость. Он может также определять среднюю угловую скорость за определенный интервал времени, минимальные и максимальные значения величин и т.п., – всё, что нужно пользователю.

Во многих машинах, механизмах, транспортных средствах, станках, производственных системах вращательное движение кинематически жестко связанно с линейными перемещениями. Это и не удивительно: ведь почти во всех двигателях исходным является именно вращательное движение. Поэтому сенсоры углового перемещения часто применяют для измерения и линейных перемещений. Интеллектуальные тахометры легко пересчитывают в таких случаях угловые координаты в линейные, скорости вращения – в линейные скорости, значение допустимых координат линейных перемещений в значение предельных углов поворота или в допустимое число оборотов.

3.5.5. Роторные и турбинные сенсоры

Еще одним примером сенсоров, в которых вращение является первичным механическим сигналом, служат роторные и турбинные измерители объемного потока жидкости. Чувствительными элементами в них являются лопасти колеса или мини-турбины. В потоке жидкости они начинают вращаться, и угол их поворота, число оборотов прямо зависят от объема жидкости, которая протекает через поперечное сечение трубы, в которой они установлены. Угол поворота, число оборотов превращаются затем, как правило, в электрические сигналы с помощью интегрированных в конструкцию сенсора оптоэлектронных, индуктивных, емкостных или магниточувствительных элементов.

Некоторые промышленные сенсоры объемного потока жидкости показаны на рис. 3.16 (http://www.honsberg.com/index-n.htm). В частности, на рис. 3.16 слева вверху показан простейший и наиболее дешевый турбинный сенсор, предназначенный для визуальной индикации потока. Для этого участок трубы, по которой течет жидкость, сделан прозрачным, а мини-турбина – ярко-красного цвета. При протекании жидкости хорошо видно, как турбина вращается. А по скорости вращения можно "на глаз" оценить поток жидкости. Турбинные сенсоры потока с электрическим выходом показаны внизу.

Рис. 3.16. Некоторые промышленные сенсоры для измерения объёмного потока жидкости, в том числе: а – турбинный сенсор; б – роторный сенсор; в – сенсор вместе с интеллектуальным счетчиком "Оmni-RR"

На рис. 3.16 вверху справа показан роторный сенсор с прозрачной крышкой, – чтобы был виден принцип его действия. Жидкость, текущая сквозь сенсор, передает часть своего механического импульса лопастям, вследствие чего колесо вращается. А встроенная оптоэлектронная схема превращает вращение в последовательность электрических сигналов.

"Интеллектуальную" часть подобных сенсоров выпускают в виде автономных электронных модулей, которые могут быть размещены непосредственно возле сенсора ( рис. 3.16, в ). В зависимости от конструктивного исполнения и применяемых материалов такие сенсоры пригодны для измерения потоков воды, нефтепродуктов, масел и проч. с температурой до 100 С в диапазоне от 0,025 л/мин до 100 л/мин с точностью от 1% до 5%.

Краткие итоги

Одним из выдающихся достижений последних десятилетий стали глобальные системы ориентирования (Global Positioning System – GPS). Основой этих систем, её "космической составляющей", является совокупность искусственных спутников Земли, которые вращаются в разных плоскостях с таким расчетом, чтобы в любой момент времени из любой точки на поверхности Земли были видны от 5 до 12 спутников. Эти навигационные спутники периодически передают радиосигналы с информацией о своих точных координатах и текущем моменте времени. В качестве системы отсчета GPS взяты общепринятые географические долгота и широта, высота над уровнем моря и так называемое "время GPS" – время по эталонным часам. Для определения своих географических координат достаточно иметь при себе GPS приемник, в состав которого входят многоканальный приемник радиосигналов от спутников, микропроцессор и точные собственные часы. Получая сигналы от спутников GPS, микропроцессор определяет времена запаздывания и, решая систему алгебраических уравнений, находит свои пространственные координаты. GPS-приемники массового пользования обеспечивают погрешность определения географических координат в пределах 10-20 м, а высокоточные GPS-приемники для геодезических измерений – не больше нескольких сантиметров.

Разработаны и уже широко применяются GPS навигаторы – специализированные интеллектуальные сенсоры, которые обеспечивают ориентацию в незнакомой местности, помогают планировать наилучшие маршруты движения, выбирать ориентиры, запоминают информацию о маршруте и так далее. Можно выделить 3 группы GPS навигаторов: портативные, автомобильные и профессиональные. Для хранения картографической информации применяют флэш-память. GPS-приемники используют также для вынужденной слепой посадки самолетов на аэродромы, в электронных поводырях для слепых людей, в трекерах, в приборах для геодезии.

В механических сенсорах перемещения первичные сигналы о состоянии исследуемого объекта или процесса возникают в виде изменений координат центра масс тела ( ) и/или углов поворота тела ( ) относительно некоторой системы координат. Наиболее применяемыми чувствительными элементами в сенсорах линейного перемещения являются поршни, поплавки, ареометры, капиллярные трубки, сообщающиеся сосуды с жидкостью, подвижные иглы.

В сенсорах углов наклона (крена) применяют одно- и двухкоординатные инклинометры (чисто механические, электролитические, оптоэлектронные), в том числе интеллектуальные. В сенсорах угла поворота сейчас чаще всего используют оптоэлектронные энкодеры – одно- и многооборотные, инкрементные и абсолютные. Энкодеры и другие вращательные чувствительные элементы (роторы, турбины, ...) широко применяют также для построения тахометров, измерителей объемного потока жидкости и т.д.