Емкостные, индуктивные и магнитные инкрементные преобразователи

В 40-х -50-х г. прошлого века, при линейных измерениях начали применять механические индуктивные головки, пневматические и индуктивные приборы. Это был большой прогресс в технике измерений, но одновременно стали понятны ограничители их возможностей: небольшой диапазон измерений, нелинейность характеристик.

Именно нелинейность характеристики затрудняло увеличение диапазона измерений и увеличивало погрешность измерений. Поэтому эти приборы были пригодны для сравнительных относительных измерений, с настройкой по образцу или концевой мере длины. Но машиностроение быстро развивалось и были необходимы приборы для абсолютных измерений в большом диапазоне. Стало очевидно, дальнейшее развитие техники линейных и угловых измерений требует разработки приборов на других физических принципах, когда начали разрабатывать и выпускать инкрементные преобразователи (ИП), которые измеряют небольшие приращения измеряемой координаты, при перемещении измерителя и суммируют их, получая величину перемещения. Преимущество таких преобразователей: принципиальное отсутствие нелинейности характеристики и неограниченные диапазоны измерений. ИП начали выпускать и разрабатывать давно, но их качество и точность ограничивало отсутствие необходимых технологий и материалов и недостаточно развитая электроника.

Разработки современных ИП способствовали развитию координатных измерений (например КИМ) и появление станков с ЧПУ, так же развитие электроники, вычислительной техники и появление новых технологий.

Сейчас все технологические и конструктивные препятствия преодолены и ИП выпускают построенных на разных принципах действия. Причем современные ИП имеют высокую точность и большие диапазоны измерений.

В настоящее время выпускают и широко применяют в измерительной технике и на станках с ЧПУ, несколько типов ИП: оптоэлектронные, емкостные, индуктивные и магнитные.

Сравнительные данные

Для точных измерений на координатно измерительных машинах (КИМ), в микроскопах, проекторах применяют оптоэлектронные инкрементные преобразователи для ручного электронного инструмента (штангенциркули, микрометры, индикаторы), применяют емкостные и индуктивные преобразователи.

Емкостные ИП впервые были выпущены фирмой Sylvac в 1983г. Тогда же фирма выпустила первый электронный штангенциркуль на базе емкостного ИП. Однако емкостные преобразователи чувствительны к влажности окружающего воздуха. При увеличении влажности у емкостных преобразователей, увеличивается нелинейность показаний. Поэтому в 2003г. фирма Sylvac выпустила индуктивный ИП. Емкостные и индуктивные ИП, выгодно отличаются небольшой мощностью, потребляемой для считывания информации со шкалы, поэтому емкостные и индуктивные ИП, наиболее удобны для применения в измерительных системах с жесткими ограничителями на потребляемую мощность рис.41

Рис. 41. Упрощенные схемы емкостного и индуктивного ИП

Их широко использую в ручном измерительном инструменте, с цифровым отсчетом с батарейным питанием. Работу емкостного ИП рассмотрим на примере преобразователя рис.42

Рис. 42. Схема емкостного ИП

Хотя на практике применяют и другие конфигурации шкал работающих на том же принципе ИП состоит из гибкой линейки и съемника, выполненных из фольгированного диэлектрического материала. Линейка представляет собой многослойную гибкую ленту, с нанесенным на ней фольгированным слоем. На изнаночной стороне нанесен клей и линейка приклеивается по всей стороне штанги штангенциркуля. На съемнике, ползуна штангенциркуля, расположена небольшая считывающая шкала, с электродами, нанесенными на фольгированном слое.

Преобразователь состоит из двух плоских шкал. На одной шкале 1 (линейки) нанесены одинаково прямоугольные электроды 2, с постоянным шагом l (эль). На эти электроды от специального генератора подается периодическое напряжение имеющее одинаковую форму и амплитуду, но сдвинутые по фазе. Указанные электроды являются передающими. Расположенный на той же шкале электрод 3 является приемным. На другой шкале 5, со специальным шагом L, нанесены электроды связи 4, некоторые из которых перекрывают передающие и приемные электроды и осуществляют емкостную связь, части передающих электродов с приемным. Отношение между шагом передающих электродов и шагом электродов связи составляет величину m:

m=L/l

где m- целое число и означает число передающих электродов размещенных на интервале равному шагу L.

Нормальная работа емкостного ИП, обеспечивается m фазной системой электродов, для создания периодической пространственной волны.

Все напряжения периодические имеют идентичную форму, одинаковую амплитуду и обеспечивает заданный сдвиг фаз. Периодические напряжения передающих электродов создают волну распространяющихся между двумя пластинами. Часть этой волны попадает на приемный электрод и образует выходной сигнал преобразователя, который передается на фазо-чувствительное устройство определяющее момент времени t, когда фаза выходного сигнала достигает значения φ₀, если подвижная шкала смещена относительно неподвижной на величину х₁.

При смещении подвижной шкалы на величину х₂, та же фаза φ₀ достигается в момент времени t₂. Измеряя сдвиг фазы выходного сигнала, можно получить величину перемещения подвижной пластины преобразователя, относительно неподвижной. Причем однозначность связи фазы с перемещением до определенных значений, не зависит от скорости и ускорения движения подвижной шкалы относительно неподвижной.

На съемнике ИП, расположена электронная микросхема и цифровой дисплей. На корпусе съемника имеются кнопки вкл/откл, установка нуля и др. Емкостные ИП имеют простую конструкцию и высокую надежность в эксплуатации. На них практически не влияет окружающая среда, кроме влажности. Однако емкостные ИП не обладают высокой точностью как оптоэлектронные ИП. Это объясняется тем, что носители информации, т.е. шкалы преобразователей, выполнены из пластика и технология и шаг нанесенных на них электродов не может быть выполнен таким малым как на стеклянных шкалах оптоэлектронных ИП.

Дискретность цифрового отсчета у действующих приборов с емкостными ИП равна 0,01; 0,001; 0,0001 мкм. Повторяемость линейных емкостных ИП равна 2-4 мкм. Погрешность зависит от того измеряемого средства которыми используются ИП от диапазона измерений. Погрешность не менее 5-10 мкм.

Емкостные ИП чрезвычайно конструктивны и технологичны. Неподвижная длинная шкала выполняется на пластине или ленте из фольгированного текстолита шириной 15-20 мм и толщиной 1 мм. Шкала наклеивается на основание прибора, например, на штангу штангенциркуля. Подвижная шкала выполнена в одном блоке с микросхемой и цифровым дисплеем. Весь подвижный блок занимает очень мало места, что позволяет широко использовать емкостные ИП в ручных и автоматических измерительных приборах. В настоящее время большинство фирм, выпускающих ручные электронные приборы, снабжают их емкостными ИП и встроенным цифровым отсчетом.

Индуктивные ИП

Емкостные ИП, как все емкостные преобразователи очень чувствительны к изменению влажностиокружающей среды, что сильно влияет на линейность преобразователя. Поэтому фирма Sylvak в 2003 году выпустила индуктивный ИП и стала устанавливать их на электронные штангенциркули, индикаторы и другие приборы.

Индуктивный ИП, в отличие от емкостного, работает в магнитном поле и поэтому не чувствителен к влажности и другим загрязнениям шкалы.

Индуктивный ИП состоит из шкалы (линейки) и считывающего устройства, которое перемещается над шкалой с небольшим зазором h. Шкала, похожая на лестницу, состоит из серии замкнутых петель, расположенных с шагом Т, токи которых направлены встречно. На считывающем устройстве на двух сторонах платы нанесена последовательность из трех чередующихся плоских зигзагообразных основных обмоток и трех чередующихся зигзагообразных съемных обмоток с шагом H. Две плоские зигзагообразные обмотки взаимодействуют через подвижную петлю (рис. 43).

Рис. 43. Принцип действия индуктивного ИП

Напряжение V через первую обмотку индуцирует ток i в петле, который непосредственно индуцирует напряжение v во второй обмотке. Если петля сдвигается на один шаг Т, индуцированный ток реверсируется (поворачивается по часовой стрелке), но напряжение обмотки v имеет ту же полярность снова (два реверса): связь (v /V) становится зависимой от х с периодом T. Шкала состоит из серии замкнутых петель с шагом Т, токи которых направлены встречно. Токи, создаваемые в первой зигзагообразной обмотке, усиливают друг друга в соседних петлях, а также напряжения во второй зигзагообразной обмотке. Основой измерения является шкала, более длинная, чем обмотки. Внешние электромагнитные поля, не вызывают замкнутых токов в петле, поэтому на напряжение, индуцированное на второй обмотке, они не оказывают воздействия. Две обмотки сдвинуты на T/4 шага шкалы. Если шкала смещается влево или вправо, разность фаз с опорным сигналом также смещается со скоростью периода, и отслеживается перемещение любой длины.

У индуктивных ИП значительно меньше шаг электродов, чем у емкостных, от 1 до 2 мм, что облегчает изготовление обмоток и позволяет увеличить зазор h. Обычно h составляет от 0,1 до 0,2 шага T.

Выходной сигнал индуктивных ИП после низкочастотной фильтрации представляет собой синусоиду с фиксированной амплитудой, фазовый сдвиг которой линейно зависит от перемещения шкалы.

В микросхеме, установленной в считывающем устройстве выходной сигнал интерполируется и преобразуется в цифровые показания, отображаемые на дисплее.

Дискретность цифровой индикации приборов с индуктивными ИП составляет 0,01; 0,001; 0,0001 мм.

Емкостные и индуктивные ИП выпускает фирма Sylvac (Швейцария), Mitutoyo (Япония), Tesa (Швейцария) и др.

Магнитные ИП

Магнитные ИП редко применяются при линейны и угловых измерениях из-за низкой точности по сравнению с емкостными, индуктивными и, тем более, оптоэлектронными ИП. Их основная область применения станки с ЧПУ, технологическое оборудование, электроприводы и др.

Магнитный ИП состоит из гибкой магнитной линейки (ленты), жестко устанавливаемой, например, на станину КИМ или станка и подвижной считывающей головки, которая крепится к подвижному узлу машины или станка.

Магнитная линейка представляет собой многослойную ленту, состоящую из подложки с нанесенным на нее магнитным слоем и защитного покрытия. С изнаночной стороны на магнитную линейку наносится адгезивный (клеящий) слой, защищенный воздухонепроницаемой пленкой. На магнитном слое нанесены намагниченные штрихи (полюса) и слабо намагниченные интервалы между ними. Расстояние между полюсами магнитов напрямую влияет на скорость считывания данных считывающей головкой и определяет быстродействие системы и ее номинальные рабочие скорости. В считывающей головке расположены обычно несколько датчиков Холла, выходной сигнал которых определяет расстояние, пройденное от опорной точки (метки).

Разрешающая способность магнитных ИП составляет от 1,0 до 25 мкм.

Повторяемость ±2,0 мкм.

Погрешность измерения составляет ±5-10 мкм.