Автор: Brian Duval
Перевод: Журав А.А.,
Генеральный директор «Техноком-Ост»

Аналоговые датчики расстояния

Самые первые бесконтактные датчики расстояния выдавали информацию только лишь о наличии или отсутствии предмета перед датчиком в виде дискретного сигнала ON/OFF. Эти простейшие датчики до сих пор находят огромное применение в различных областях промышленности. В то же время для решения более сложных задач автоматизации технологических процессов инженерам нужна дополнительная информация о положении объектов измерения. Для этих целей были разработаны датчики, позволяющие определять расстояние до объекта и его положение с помощью аналогового выхода, сигнал на котором пропорционален расстоянию до измеряемого объекта. Такие датчики могут быть использованы во множестве применений, таких как определение расстояния до объекта, измерение толщины, измерение наклона и деформации, измерение профиля изделия, центровка и измерение диаметра.

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 1

	Индуктивные	Ультразвуковые	Оптические
			Триангуляционные	Радарные
Расстояние	0 – 20 мм	10 – 10.000 мм	10 – 1.000 мм	10 – 500.000 мм
Разрешение	0,1 мкм	0,1 мм	1 мкм	0,5 мм
Точность	1 мкм	0,2 мм	2 мкм	2 мм
Линейность	0,4% – 5%	0,5%	0,05% - 1%	0,001%
Время	0,3 мс	20 мс	1 мс	1 мс

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.

Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:

Расстояние = a + b (I_вых) + c (I_вых)2 + d (I_вых)3 + e (I_вых)4

Где: I_вых = выходной ток
Измеряемое расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (I_вых)

Коэффициенты функции имеют следующие значения:
a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311 ? 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040

Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА. Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.

Ультразвуковые датчики. 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.

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.

Подавляющее большинство задач по измерению в промышленности приходится на диапазоны от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

Рисунок. Принцип работы оптического датчика расстояния

На рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

Наиболее важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой точности измерения и больших измеряемых расстояниях. Большинство производителей предлагают датчики с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, что бы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек.

Правильный выбор датчика. Для того, что бы правильно выбрать подходящий датчик расстояния, необходимо ответить на 7 вопросов:

Из чего состоит объект измерения?

Какое расстояние до объекта?

Какая требуется точность?

Насколько быстро движется объект?

Какие существуют внешние неблагоприятные условия?

Какой тип выходного сигнала необходим?

Насколько ограничено пространство для установки датчика?

Получив ответ на эти вопросы, и обладая знанием принципов работы индуктивных, ультразвуковых и оптических датчиков расстояния, Вы сможете наилучшим образом выбрать необходимый датчик.