Что такое датчик угла поворота? Фото

Автор Сидор Черненко November 22, 2023

Датчики угла поворота - важные элементы во многих системах, от промышленного оборудования до автомобилей. Давайте разберемся, что это такое, какие бывают типы этих датчиков, где они используются и почему так важны.

Определение и назначение датчиков угла поворота

Датчик угла поворота - это измерительный преобразователь, который определяет угол поворота вращающегося объекта (вала, оси, колеса) и преобразует это значение в электрические сигналы. Эти сигналы передаются в систему управления для дальнейшей обработки.

Синонимами термина "датчик угла поворота" являются:

энкодер;
датчик положения;
сельсин;
резольвер.

Основные области применения датчиков угла поворота:

Промышленные механизмы и робототехника - для контроля положения исполнительных устройств.
Автомобильная электроника - в составе электроусилителя руля (ЭУР), антиблокировочной системы (АБС) и других систем.
Авиационные и космические системы - для определения углового положения объектов.
Системы стабилизации - на морских и речных судах, буровых платформах.
Системы слежения за Солнцем в солнечных батареях.

Таким образом, датчики угла поворота решают важную задачу - снабжают систему управления данными о текущем положении подвижных объектов. Эта информация критически необходима для выработки управляющих сигналов на исполнительные механизмы.

Принцип работы датчиков угла поворота

В датчике угла поворота всегда есть две основные части:

Чувствительный элемент, который определяет угол поворота и преобразует его в электрический сигнал.
Электронный блок обработки, который усиливает сигналы с чувствительного элемента и передает данные в систему управления.

По принципу работы чувствительного элемента датчики угла поворота делятся на три основных типа:

Потенциометрические.
Оптические.
Магнитные.

Рассмотрим подробнее, как устроен и работает каждый из этих типов.

Потенциометрический датчик угла поворота

В потенциометрическом датчике в качестве чувствительного элемента используется потенциометр - резистор с подвижным контактом, сопротивление которого зависит от положения этого контакта.

Чем больше угол поворота руля, тем выше сопротивление на потенциометре. Сопротивление растет пропорционально углу поворота.

Обычно в датчике стоят два потенциометра, смещенные на 90° для определения направления вращения. Основные достоинства таких датчиков - простота и низкая стоимость. А главный недостаток - ненадежность из-за подвижных контактов и быстрый износ.

Оптический датчик угла поворота

В оптическом датчике используется кодирующий диск со специальным растром или отверстиями и оптопары (светодиод + фотоприемник), которые считывают это изображение.

При вращении диска оптопары генерируют импульсы напряжения, по которым блок управления рассчитывает угол и направление поворота.

Преимущества оптического датчика:

Высокая надежность за счет отсутствия трущихся контактов.
Хорошая помехозащищенность сигналов.
Высокая разрешающая способность.

Магнитный датчик угла поворота

В магнитных датчиках угла поворота используется эффект Холла - изменение напряжения на полупроводнике при нахождении в магнитном поле.

Чувствительные элементы:

Магниты, жестко связанные с вращающимся валом.
Магниточувствительные датчики Холла, расположенные рядом с магнитами.

При вращении вала магниты изменяют магнитное поле на датчиках Холла, что позволяет определить угол поворота.

Достоинства магнитных датчиков:

Высокая надежность.
Высокие допустимые скорости вращения.
Широкий температурный диапазон.

Конструктивные особенности

Конструктивно датчики угла поворота могут существенно различаться, в зависимости от их назначения и условий работы. Рассмотрим основные элементы конструкции.

Корпус датчика угла поворота

Корпус защищает внутренние элементы датчика от внешних воздействий. Материалы корпуса:

Пластмасса - легкие условия работы.
Металл (алюминий, нержавеющая сталь) - для суровых условий.

Для работы в пыли и влаге применяются защитные оболочки со степенью защиты IP64 и выше.

Вал и подшипники

Вал соединяет чувствительный элемент датчика с объектом вращения. Материал вала:

Сталь - высокие нагрузки.
Титан - легкий вес.
Керамика - для высоких температур.

Вал вращается в подшипниках скольжения или качения, рассчитанных на длительный срок службы с заданными нагрузками.

Электронные компоненты

Печатные платы с микросхемами обработки данных, разъемами, стабилизаторами напряжения, защитой от помех.

Параметры и характеристики датчиков угла поворота

Основные технические характеристики датчиков угла поворота:

Диапазон измерений - максимальный угол, который может замерить датчик, например 0-360°.
Разрешающая способность - минимальный приращение угла, которое может различить датчик, например 0.1°.
Погрешность (точность) измерений - отклонение измеренного значения от реального, например ±0.5°.
Быстродействие - максимальная угловая скорость вращения вала, при которой датчик может корректно измерять угол.

Также важны характеристики надежности:

Средняя наработка на отказ (MTBF) - ожидаемое время безотказной работы, например 100 000 часов.
Срок службы - общий период, в течение которого датчик пригоден к эксплуатации, например 10 лет.

Сравнение разных типов датчиков угла поворота

	Потенциометрические	Оптические	Магнитные
Диапазон углов	180-270°	360°	0-360°
Разрешение	2-5'	1-60'	1-10'
Точность	±1°	±0,5°	±0,1°
MTBF	5 000 часов	60 000 часов	100 000 часов

Как видно из сравнения, оптические и магнитные датчики значительно превосходят потенциометрические по большинству параметров.

Типичные неисправности датчиков угла поворота

Рассмотрим наиболее распространенные проблемы в работе датчиков угла поворота.

Неисправности потенциометрических датчиков

Обрыв цепи или короткое замыкание в потенциометре из-за износа подвижного контакта.
Загрязнение контактов, окисление - повышенное сопротивление, шумы в сигнале.
Механические повреждения потенциометра от ударов или вибраций.

Типичные поломки оптических датчиков угла поворота

Загрязнение кодирующего диска или линзы светодиода - сбои, шумы сигнала.
Выход из строя светодиода или фотоприемника - отсутствие сигнала.
Механическое повреждение диска или оптопар.

Неисправности магнитных датчиков угла поворота

Демагнитизация постоянных магнитов - нестабильные показания.
Выход из строя магниточувствительного элемента Холла.
Короткое замыкание или обрыв обмоток электромагнита.

Диагностика неисправностей датчиков угла поворота

При возникновении проблем в работе датчика угла поворота необходимо провести диагностику, чтобы определить тип неисправности и способ устранения.

Внешний осмотр и определение симптомов

На первом этапе проверяем корпус датчика на наличие внешних повреждений, следов ударов, трещин, сколов. Определяем характерные симптомы неисправности при работе.

Проверка мультиметром

Измеряем омметром сопротивление обмоток, потенциометра или фоторезисторов. Проверяем отсутствие обрывов и коротких замыканий в электрических цепях датчика.