Система автоматического управления манипулятором робота-лунохода (стр. 5 из 6)

Существует также множество видов других датчиков.

Наиболее часто в автоматических системах применяют тахогенераторы постоянного и переменного тока, электромагнитные датчики и опто-электрические датчики.

Тахогенераторы представляют собой электрические генераторы небольшой мощности для преобразования частоты вращения в электрический сигнал. Выходное напряжение может достигать 50 В, нелинейность характеристики – не более 2%. Недостатком являются более низкая точность, большие массогабаритные показатели и стоимость. Зато на выходе такого датчика напряжение.

Магнитные датчики содержат установленную на вал двигателя шестеренку из ферромагнитного материала, рядом с которой крепится магнитная головка. При вращении шестеренки на выводах головки появляется переменное напряжение с частотой, равной частоте вращения двигателя, умноженной на количество зубьев на шестеренке.

Рисунок 22. Магнитный датчик

Оптоэлектрический датчик (фотоэлектрический преобразователь вращения) включает в себя оптопару, световой поток которой прерывается диском с отверстиями, который насаживается на вал двигателя. Диск с отверстиями прерывает световой поток, и на выходе оптопары формируются импульсы с частотой вращения двигателя, умноженной на количество прорезей в диске.

Для данной системы предпочтителен магнитный датчик, в связи с надежностью и более высоким ресурсом в агрессивной среде. В соответствии с этим выберем магнитный датчик Pepperl+Fuchs серии MBF32. Он обладает следующими характеристиками:

· Гарантированная зона реагирования: 0…35, 0…48,6, 0…60 мм

· 2-, 3-проводная схема подключения

· Частота срабатывания: 400, 1000 Гц

· Тип выхода: PNP, NAMUR (нормально разомкнутый)

· Напряжение питания: 10…30 В, 8 В для датчиков с выходом NAMUR

· Степень защиты IP67

· Диапазон рабочих температур -25…+70°С

4.4 Обоснование и выбор преобразователя для датчика угловой скорости:

Для того, чтобы в дальнейшем использовать данные с датчика угловой скорости необходимо их преобразовать к номинальным значениям.

Сначала необходимо усилить очень слабый сигнал с выхода датчика. Для этого используем схему неинвертирующего усилителя:

Рисунок 23. Схема неинвертирующего усилителя

Сигнал подается на прямой вход.

При этом коэффициент усиления определяется отрицательной обратной связью:

Далее в схеме ставится компаратор-детектор нулевого уровня с подачей сигнала на прямой вход.

На его выходе будет «+1» если входное напряжение больше нуля, и 0 если напряжение меньше нуля. Таким образом после компаратора мы получим сигнал следующего вида:

Рисунок 24. Внешний вид сигнала на выходе компаратора

Осталось только измерить количество данных импульсов в единицу времени.

Для этого используется генератор временных интервалов совместно с логическим элементом «И». Затем сигнал подается на счетчик.

Рисунок 25. Схема подсчета количества импульсов

Чем выше скорость вращения вала, на котором сидит шестеренка, тем с большей частотой наводится сигнал на датчике.

Тем большее количество импульсов попадет в заданный временной интервал и соответственно будет сосчитано счетчиком.

4.5 Обоснование и выбор датчика расстояния

В прошлом бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF.

В наши дни датчики для измерения расстояния могут использовать различные принципы измерений: индуктивный, ультразвуковой или оптический, однако все они имеют электрический выходной сигнал, величина которого пропорциональна расстоянию до измеряемого объекта.

В таблице 1 представлены основные типы аналоговых бесконтактных датчиков для измерения расстояний и их основные особенности.

Таблица 2. Характеристики различных датчиков расстояния

Индуктивные датчики. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

Емкостные датчики. Принцип действия основан на изменении электрического поля, генерируемого датчиком, при появлении объекта в зоне его чувствительности. В отличии от индуктивных, емкостные датчики реагируют на предметы из любого материала. Емкостные датчики используют для контроля заполнения бутылки (сквозь ее стенку), контроль сыпучих и жидких материалов в бункерах и емкостях, контроль разрыва/провисания ленты и т.п. Необходимо отметить, что в описаниях к изделиям указывается номинальное расстояние срабатывания, измеренное на заземленный лист стали. Если объект выполнен из другого материала, то необходимо пользоваться таблицей поправочных коэффициентов (коэффициент, как правило, меньше единицы и сильно зависит от наличия влаги в материале). Максимальное расстояние срабатывания составляет около 50 мм.

Емкостные датчики обладают высокой надежностью, в них отсутствует эффект «тяжения», трения. Отрицательными качествами является нелинейность, сложность обработки сигналов и низкая точность.

Ультразвуковые датчики. Общий принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Более простой способ использования ультразвуковых датчиков состоит в приеме уже сгенерированного «маяком» ультразвукового сигнала. В этом случае нет необходимости сначала излучать короткий ультразвуковой импульс, а расстояние до наблюдаемого объекта измеряется путем анализа амплитуды пришедшего сигнала (подразумевается, что максимальная амплитуда сигнала, соответствующая нулевому расстоянию до объекта-маяка, известна). Пьезоэлектрический преобразователь воспринимает звуковую волну и преобразует ее в электрический сигнал.

Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.

Оптические датчики. Существует множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.