Датчики углового положения - виды и принципы действия

Виды и принципы действия датчиков угла поворота

Точное определение угла поворота вала - одна из главных задач, стоящих перед конструкторами, разрабатывающими электроприводы, станки с ЧПУ и различные роботизированные комплексы. Датчики поворота обеспечивают обратную связь с исполнительными механизмами, позволяя реализовывать сложные алгоритмы управления. Датчики угла поворота могут работать на различных физических принципах и обладать различными характеристиками. В этом обзоре я постараюсь понятно изложить информацию о наиболее часто используемых датчиках.

На сегодняшний день можно выделить несколько видов датчиков угла поворота, активно использующихся в промышленности. В первую очередь датчики угла поворота различны по физическим принципам действия: резистивные, индуктивные, магнитные и оптикоэлектронные. Далее датчики разделяются по диапазону измеряемых углов, на неполнооборотные, однооборотные и многооборотные. Также датчики различаются по возможности однозначного определения положения после включения питания - на инкрементальные и абсолютные.

Резистивные (потенциометрические) датчики углового положения

Резистивные - самый простой по реализации датчик, представляющий из себя поворотный переменный резистор, например такой как на фото ниже:

Это вариант а-ля Советский Союз, дешево и сердито. Из недостатков - линейность характеристики выходного сигнала мягко говоря, хромает. Точность зависит от наличия помех и качества АЦП, диапазон измеряемого угла в пределах 240-310 градусов. Однако на рынке есть и профессионалльные потенциометрические датчики, в том числе и многооборотные. На фото ниже - потенциометрический датчик Burster 8820.

Такие датчики являются профессиональными изделиями - корпус с классом защиты IP 65, нелинейность не более 0,5 %, ресурс 100х10⁶ циклов, малый момент реакции, делают возможным применение таких датчиков в весьма ответственных установках. Чувствительный элемент таких датчиков обычно выполняется из износостойкого пластикового резистивного элемента, в качестве контактов ползунка используются многоточечные позолоченные контакты. Температура эксплуатации датчиков 8820 от -55 ^oС до 100 ^oС, скорость вращения вала до 600 об/мин. К ограничениям потенциометрических датчиков можно отнести небольшой диапазон угла поворота - обычно до 360 градусов. Хотя имеются и многооборотные датчики, например BOURNS 3590S. Рабочий диапазон этого датчика составляет 10 оборотов, что при цене в районе 4 долларов делает его очень популярным в среде радиолюбителей и электроников.

Индуктивные датчики углового положения

Индуктивные датчики углового положения в при ближайшем рассмотрении чаще всего оказываются не совсем угловыми. В таких датчиках вращение сначала преобразовывается в линейное перемещение металлического либо ферритового сердечника внутри специально сконструированной катушки индуктивности. Выходной сигнал, снимаемый с выходов катушки, изменяется в зависимости от положения сердечника.

Благодаря простоте изготовления при достаточной точности и высокой надежности, индуктивные датчики получили широкое распространение на территории бывшего Советского союза, и успешно работают на многих российских объектах до сих пор. Это известный любому инженеру КИП старой закалки датчик типа БСПТ-10М (блок сигнализаторов положения токовый):

Этот датчик выдает нормализованный токовый сигнал 4..20 мА, а также имеет 4 настраиваемых концевых выключателей. Основным недостатком этого датчика является большое время отклика, в связи с чем его нельзя использовать для измерения в случае быстро изменяющейся скорости и направления вращения, так как сигнал будет выдаваться с задержкой.

Оптикоэлектронные датчики углового положения (энкодеры)

Оптикоэлектронные датчики углового положения чаще называют энкодерами. Оптикоэлектронный энкодер представляет собой в простейшем случае стеклянный либо пластиковый диск с прозрачными окнами, помещенный между светодиодом и фототранизистором. Это один из самых распространенных датчиков положения в мире - в каждой компьютерной мыши колесико представляет собой именно энкодер.

В зависимости от расположения прорезей и количества фотодатчиков, оптические энкодеры могут быть инкрементальными либо абсолютными. Инкрементальный энкодер не может однозначно определить начальное положение вала, в отличии от абсолютного энкодера - комбинация прорезей, а следовательно комбинация включения фотодатчиков, однозначно определяет положение абсолютного энкодера в любой момент времени.

Слева (голубой) диск инкрементального энкодера, 2 фотодатчика и "сдвинутые" прорези позволяют опредеить направление вращения вала. Справа (зеленый) диск абсолютного энкодера. В приведенном примере это 3-х битный абсолютный энкодер, с прорезями на диске соответствующих коду Грея. Абсолютный энкодер позволяет определить точное угловое положение вала в любой момент.

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры в своей основе имеют датчики Холла. Конструктивно магнитные энкодеры чаще всего бывают двух видов - с использованием магнитного кольца либо с использованием цилиндрического магнита. Энкодеры с использованием магнитного кольца используются в тормозных системах автомобилей в качестве датчика антиблокировочной системы.

В энкодерах с применением цилиндрического магнита используются магниты с диаметральной поляризацией. Ярким примером таких энкодеров являются датчики, построенные на основе специализированных микросхем австрийской компании AMS (Austria MicroSystems). Микросхемы AS представляют собой два датчика Холла, помещенные в одном корпусе и повернутых на 90 градусов относительно друг друга. Магнитные энкодеры AMS обладают высокой точностью (до +-0,5 градуса) и возможностью измерений на высокой скорости вращения - до 30000 оборотов в минуту. В линейке микросхем имеются модели со встроенным счетчиком оборотов, которые при определенных схемотехнических решениях можно использовать в качестве многооборотных абсолютных энкодеров. Также одной из отличительных черт продукции AMS является наличие режимов пониженного и сверхнизкого энергопотребления, что делает продукцию привлекательной для применения в сфере "интернета вещей".