2.4.2. Магнитоиндукционные датчики

Датчик ДМ-2 (рис. 2.36) не имеет механической связи с объектом, в нем нет подвижных частей. Датчик представляет собой катушку с сердечником, размещенную внутри постоянного магнита цилиндрической формы.

При вращении или линейном движении ФМ (шестерни редуктора, специального барабана с металлическими стержнями, роликов цепи и т.п.) изменяется магнитный поток вследствие изменения магнитного сопротивления в магнитной цепи датчика, что вызывает появление ЭДС на выходе катушки:

,

где – скорость изменения магнитного потока, пропорциональная частоте вращения ФМ (скорости изменения магнитного сопротивления); W – число витков катушки.

Рис. 2.36. Магнитоиндукционный датчик скорости: 1 – сердечник; 2 – катушка; 3 – металлическая пластина; 4 – постоянный магнит; 5 – переменная ферромагнитная масса ФМ объекта

Зависимость является нелинейной и может быть в ограниченной зоне линеаризована, а частота ЭДС датчика прямо пропорциональна n. Поэтому в системах автоматики часто используют датчик ДМ-2 в качестве чувствительного элемента с последующим преобразованием его сигнала в последовательность прямоугольных импульсов постоянной амплитуды и длительности, частота которых имеет линейную зависимость от скорости движения объекта.

2.4.3. Цифровые датчики скорости

Цифровые ДС преобразуют угловую или линейную скорость движения объекта в цифровой код. Они обладают более высокой точностью измерения по сравнению с аналоговыми, могут быть непосредственно связаны с цифровыми управляющими устройствами, достаточно просто позволяют решать задачи определения направления движения объекта и локальной индикации, регистрации и сигнализации.

В общем случае структура цифрового ДС может быть представлена схемой (рис. 2.37).

Рис. 2.37. Обобщенная структура цифрового датчика скорости

На схеме обозначено:

ИЭ – импульсный (чувствительный) элемент датчика;

ИЦП – импульсно-цифровой преобразователь;

n – частота вращения (угловая или линейная скорость движения объекта);

– частота выходных импульсов ИЭ;

N – цифровой код скорости.

В качестве примера ниже представлен цифровой ДС с фотоэлектрическим чувствительным элементом (рис. 2.38).

При вращении диска 1 световой поток, воспринимаемый ФД, пульсирует. Частота электрических импульсов, образующихся на выходе каналов 1, 2 и ЛЭ, определяется выражением

,

где М – информационная емкость диска (количество отверстий на одной дорожке); n – частота вращения объекта (например, вала электродвигателя).

Рис. 2.38. Структурная схема цифрового датчика скорости: 1 – кодовый диск с отверстиями, которые равномерно расположены на двух концентрических дорожках и сдвинуты относительно друг друга на ¼ шага; СД, ФД – свето- и фотодиоды; Ус – усилитель; ТШ – триггер Шмитта, формирующий импульсы прямоугольной формы; ЛЭ – логический элемент, определяющий знак скорости; СИ – счетчик импульсов, обеспечивающий импульсно-цифровое преобразование; ГТИ – генератор тактовых импульсов, формирующий время счета измерительных импульсов; – последовательности счетных импульсов, формируемые импульсными каналами 1, 2 и сдвинутые по фазе на 90 эл. градусов.

Выходной цифровой сигнал датчика определяется как произведение частоты счетных импульсов и времени измерения

N = fT = MTn = k_n n,

где М – количество отверстий на концентрической дорожке кодового диска; Т – время счета измерительных импульсов, равное полупериоду тактовых импульсов; k_n = МТ – коэффициент преобразования (чувствительности) датчика.

Знак скорости определяется ЛЭ по знаку сдвига фазы между импульсами U₁ и U₂: при движении вперед импульсы U₁ опережают импульсы U₂ на 90 эл. градусов, а при движении назад – наоборот, отстают на 90 эл. градусов.

Относительная погрешность измерения скорости цифровым ДС, обусловленная дискретностью процесса измерения, равна

,

где – шаг измерения

Анализ погрешности показывает, что ее значение тем меньше, чем больше параметры М, Т, а также частота вращения. При измерении малых скоростей, описанным выше способом погрешность столь велика, что в ряде случаев требует иного подхода: счетчик переключается на подсчет количества тактовых импульсов за период следования измерительных импульсов.