Д.т.н., професор Лукашенко В. М., к.т.н., доцент Уткіна Т. Ю.,
м.н.с. Гардер Д. А., магістранти Залізняк В. Л.,
Кубрушко В. С., Луценко Є. Ю., студент Резнік Є. В.

Черкаський державний технологічний університет, Україна

РЕЛЯЦІЙНА МОДЕЛЬ ЯКІСНОЇ ОЦІНКИ ДАТЧИКІВ ЛІНІЙНОГО ПЕРЕМІЩЕННЯ

В сучасній промисловості широко використовуються датчики різних типів та призначень. Основні сфери застосування сучасних датчиків лінійного переміщення представлені на рис. 1.

Рис. 1. Сфери застосування сучасних датчиків лінійного переміщення

Загальною інформаційною та теоретичною базою для проведення систематизації сучасних типів датчиків лінійного переміщення є роботи вітчизняних та зарубіжних науковців: Аш Ж., Гладкова Е. А., Котюха А. Ф., Лєвшина Є. С., Майзеля М. М., Новицького П. В., Окосі Т., Раннева Г. Г., Шарапова В. М. та інших. Однак вибір відповідного типу датчика при проектуванні технологічного обладнання через наявну їх значну множину витрачається чимала кількість часу. Тому, систематизація сучасних різновидів датчиків лінійного переміщення та визначення їх якісних характеристик є актуальним завданням.

Метою роботи є прискорення процесу вибору датчиків лінійного переміщення при проектуванні технологічного обладнання відповідно до їх основних різновидів за рахунок побудови реляційної моделі якісної оцінки датчиків лінійного переміщення.

Для досягнення даної мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати сучасні основні типи датчиків лінійного переміщення та систематизувати їх відповідно до основних різновидів;

- розробити реляційну модель якісної оцінки сучасних основних типів датчиків лінійного переміщення.

Рішення поставленої задачі. Швидкий вибір датчиків при проектуванні технологічного обладнання сприяє значному покращенню якості розроблюваної системи вцілому [1].

По принципу дії датчики класифікуються на: контактні, фотоелектричні; телевізійні, електромагнітні, дугові, теплові, пневматичні, ультразвукові, зондуючі лазерні датчики, лазерні оптико-акустичні дефектоскопи; датчики відбитого від поверхні зварювальної ванни лазерного проміння, відеосенсорні пристрої лінійного (одномірного) та матричного (двомірного) типу тощо [2]. До недоліків контактних датчиків відносять низьку надійність і точність, можливість механічних пошкоджень, обмеження при застосуванні їх у важкодоступних місцях.

Із групи безконтактних датчиків лінійного переміщення, робота яких заснована на оптичних принципах, в якості елементів таких датчиків використовують напівпровідникові пристрої.

Сфера застосування індуктивних ємкісних або оптичних датчиків лінійного переміщення знаходять широке застосування в охоронних системах, системах контролю за наповнення резервуарів [1, 3-5].

Датчики Холла складаються з напівпровідникового елемента Холла, стабілізатора живлення, диференціального підсилювача та вихідного каскаду. Вони характеризуються високим ступенем точності, використовуються в системах, де важливою є величина переміщення, наприклад, в системах виміру потужності, в датчиках наближення, в системах вимірювання повітряних зазорів.

Для магніторезистивних датчиків лінійного переміщення є характерним висока чутливість, що так само визначає їх застосування в системах, де необхідна висока точність, в т.ч. автомобільна електроніка, медичне обладнання, робототехніка.

У свою чергу магнітодіодні датчики лінійного переміщення знайшли своє застосування в системах з певними періодичними явищами.

Принцип дії фотоелектричних датчиків лінійного переміщення полягає в перетворенні переміщення маски в змінну інтенсивності світлового потоку, зареєстрованого фотоелементами і перетвореного ними в електричний сигнал.

На підставі особливостей кожного з основних типів датчиків лінійного переміщення розроблено реляційну модель якісної оцінки, яка представлена в табл. 1.

Системний аналіз існуючих датчиків лінійного переміщення показав, що широкого застосування набули датчики на основі ПЗС-матриць, оскільки вони забезпечують: безінерційність, відсутність викривлень геометричної форми об’єкта, високу механічну міцність, стійкість до вібрації, низьку напругу живлення й енергію споживання, компактність, малу масу та габарити.

Розроблена реляційна модель якісної оцінки (табл. 1) дозволяє при проектуванні технологічного обладнання з урахуванням цільової сфери застосування прискорити процес вибору необхідного типу датчика лінійного переміщення, що буде задовольняти основні вимоги до розроблюваної системи.

Таблиця 1

Реляційна модель якісної оцінки сучасних основних типів датчиків лінійного переміщення

Тип датчика	Принцип дії	Переваги	Недоліки
Індуктивний датчик	Принцип дії датчиків переміщення LVDT заснований на індуктивному перетворенні механічного руху в електричний сигнал.	Простота виготовлення. Високий ступінь захисту від впливу зовнішніх електромагнітних полів і точність вимірювання характерні для датчиків швидкості на основі фотоелектричних датчиків.	Періодична знакозмінна динамічна помилка. Нелінійність відповідно значенню вимірюваної фази величині дійсної швидкості.
Датчик Холла	Ефект Холла – виникнення електричної напруги на бічних поверхнях пластини, через яку протікає електричний струм, якщо на цей струм впливає магнітне поле, перпендикулярне пластині.	Характеризується високою навантажувальною здатністю, лінійною характеристикою перетворення в робочому діапазоні магнітних полів, широким діапазоном робочих температур та напруги живлення, довготривалою стабільністю параметрів і малим струмом споживання.	Вихідна напруга знаходиться в лінійній залежності від величини вектора магнітної індукції. За межами робочої області датчик входить в насичення.
Магніторезистивний датчик	Ефект Гаусса – зміна електронного опору феромагнітних матеріалів в магнітному полі.	Висока чутливість, відсутність магнітного дрейфу, надійність і довговічність.	Недоліком такого датчика є парна вольт-ерстедна характеристика, що вимагає для нормальної роботи додаткового магнітного зсуву та відносно високого гістерезису.
Магнітодіодний датчик	Ефект збільшення опору магнітодіодов внаслідок зсуву носіїв струму під впливом зовнішнього магнітного поля.	Високий рівень вихідного сигналу. Широкий температурний діапазон (близько +100 ℃).	Нелінійність передавальної характеристики. Температурна залежність показників.
Фотоелектричні датчики	Контролює положення допоміжної лінії, яка наноситься паралельно стику.	Простота конструкції	Низька точність та перешкодостійкість при роботі в умовах сильного світлового випромінювання.

Продовження табл. 1

Тип датчика	Принцип дії	Переваги	Недоліки
Скануючий по колу фотоелектричний датчик у слідкуючих системах	Центр кола сканування суміщається з центром дії джерела тепла. Дозволяє обрахувати інтервали часу між пересіченням стиків.	Однозначно характеризується положення центра теплової дії відносно стику.	Низька надійність і перешкодостійкість. Необхідність контрольних ліній для підвищення контрасту. Визначає миттєве положення центру дії джерела тепла.
Відеосенсорний пристрій	Складається із щілинної діафрагми та відбивника. Фотокамера, яка має змінне вікно, об’єктив, інтерференційний фільтр, фотоприймач на основі ПЗС-матриці. Використання повторного відбиття освітленої смуги відображає інформацію на фотоприймачі.	Аналізується форма і порівнюється з еталоном, що зменшує помилки.	Жорстко задана програма.
Датчик відбитого лазерного проміння	Побудований на базі малогабаритного пірометра, і оснащений інтерференційним фільтром лазерного проміння.	Контролює площу поверхні рідкого металу, що зменшує помилки.	Неможливість контролювати кутові шви у важкодоступних місцях.
Зондуючий лазерний датчик	Зондуючий лазерний датчик є напівпровідниковим імпульсним лазером. Просвічує плазмовий факел вздовж поверхні зварного з’єднання і його проміння фіксується фотодіодом.	Визначається густина пароплазмового каналу, що зменшує помилки.	Громіздкість. Не враховується короблення металу.
Лазерний оптико акустичний дефектоскоп	Принцип дії заснований на оптико акустичному ефекті, котрий полягає у збуджені коротких ультразвукових сигналів імпульсним лазерним випромінюванням. Імпульс потрапляючи на об’єкт викликає теплове розширення області, що поглинула лазерне випромінювання. Це призводить до того, що виникає акустична напруга, форма якої визначається параметрами лазерного імпульсу і характеристиками середовища, що поглинуло світлову енергію. Вимірювання глибини залягання неоднорідності визначається по часу затримки. Вимірювання розміру неоднорідності визначається по формі і спектру сигналу.	Можливо виміряти глибину залягання та розмір неоднорідності, що зменшує помилки.	Затрата часу на попереднє дослідження характеристик середовища.

Висновки:

Для досягнення результату, що полягає у зменшенні часу відведеного на проектування технологічного обладнання при здійсненні вибору датчика лінійного переміщення відповідно до їх основних різновидів за рахунок побудови реляційної моделі якісної оцінки датчиків лінійного переміщення було виконано:

1. Проведено систематизацію сучасних різновидів датчиків лінійного переміщення за їх якісними характеристиками та сферам застосування.

2. Розроблено реляційну модель якісної оцінки сучасних основних типів датчиків лінійного переміщення, де визначені принцип дії, переваги та недоліки датчиків лінійного переміщення відповідно до їх основних різновидів.

Література:

1. Системний аналіз параметрів датчиків положення стику зварювальних деталей для лазерних технологічних комплексів / А. Г. Лукашенко, В. Д. Шелягін, Д. А. Лукашенко, І. А. Зубко, О. Ю. Талімончук // Зб. наук. праць Кіровоград. нац. техн. ун-ту. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. – Вип. 22. – Кіровоград : КНТУ, 2009. – С. 211–217.

2. Системний аналіз біометричних датчиків відбитків пальця для системи управління доступом лазерного технологічного комплексу / В. М. Лукашенко, Т. Ю. Уткіна, О. С. Вербицький, Д. А. Лукашенко, С. А. Міценко, О. В. Нечипоренко // Вісник ЧДТУ. – 2012. – № 4. – С. 29–34.

3. Джексон Р. Г. Новейшие датчики / Р. Г. Джексон. – М. : Техносфера, 2007. – 384 с.

4. Поляков З. И. Электрофизические и электрохимические методы обработки / З. И. Поляков, В. М. Исаков, Д. В. Исаков, В. Ю. Шамин. – 2‑е изд., перер. и доп. – Челябинск : ЮУрГУ, 2006. – 89 с.

5. Бараночников М. Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. / М. Л. Бараночников. – М. : ДМК Пресс, 2001. – 544 с.