Czujniki pomiarowe. Budowa i zasada działania

Transkrypt

1 Wykład IV Czujniki pomiarowe. Budowa i zasada działania Copyright by Maciej Rosół

2 Czujniki indukcyjne Elementy wykrywające w sposób bezdotykowy obecność obiektów metalowych. Kierunek obrotów Zastosowanie: Wyłączniki krańcowe, Liczniki lub pozycjonery elementów na taśmie montażowej, Mierniki prędkości obrotowej. Czujnik indukcyjny

3 Powstają prądy wirowe, które zmieniają dobroć i obciążają układ oscylatora Pole elektromagnetyczne zmienne o dużej częstotliwości

4 Parametry pracy: Zasilanie: 1 30 VDC, VAC, Tryb pracy: ciągły, impulsowy, Rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowe z tranzystorem OC, prądowe. Maksymalna częstotliwość przełączania khz (5 khz); Strefa działania (podawana najczęściej jako nominalna S n ) od 0.5 do 60 mm, Strefa rzeczywista. Uwzględnia fabryczną tolerancję wykonania wyrobu (0.9 S n <S r < 1.1 S n ), Strefa robocza. Mierzona w rzeczywistych warunkach pracy czujnika (0.81 S n <S w < 1.21 S n ), Wielkość histerezy. Mierzona w stosunku do S n (1.5-15%), Stosowane zabezpieczenia: zwarciowe, przeciążeniowe, przepięciowe, odwrotne zasilenie czujnika.

5 U CC V t V śr Vt V śr 100% 10% V śr średnia wartość napięcia zasilania V t napięcie tętnień (szczyt-szczyt)

6 Czujniki przemieszczenia (LVDT) LVDT Linear Variable Differential Transformer + ABS Filter Value V A d: ±100µm ±25cm F: 20Hz 20kHz AC V OUT =V A -V B + - V OUT V B - ABS Value Filter

7 Przykład układu do kondycjonowania sygnału z czujnika LVDT na podstawie AD598 V OUT Pozycja - + Wartość funkcji (A-B)/(A+B) niezależna od amplitudy sygnału wejściowego. Ponadto (A+B)=constant

8 Czujniki przyśpieszenia (akcelerometry) Elementy do pomiaru przyspieszeń, prędkości i pozycji obiektów ruchomych.. Parametry pracy: Zasilanie: VDC, Rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowy w skali V/g (typowo 250 mv/g 1.5 V/g), Pasmo przenoszenia 1 10 khz, Rozdzielczość: 2 mg, Wytrzymałość na wstrząsy około 1000 g, Maksymalny prąd wyjściowy (typ µa), Zakres pracy: ±5 g, ±50 g itp..

9 Zasada działania akcelerometru Nieruchome okładziny Mocowania Belka 1 komórka Przyśpieszenie Układ łączy w sobie mikromechaniczny układ czujnika z elektroniką przetwarzającą sygnał z czujnika. Budowa Układ składa się z 42 komórek, z których każda zawiera: płytki ruchome, płytki nieruchome, belkę.

10 Skalowanie akcelerometru

11 Przykład akcelerometru: ADXL105 firmy Analog Devices [2], [3] V DD T OUT ST Czujnik Temper. ST: Self-Test T OUT : pomiar temperatury A OUT : pomiar przyspieszenia dla V DD =5V, 250mV/g V MID : napięcie refer., V DD /2 Czujnik przyśp. 7 COM A OUT VMID V NIN V IN UCA OUT

12 Typowe aplikacje ADXL105 [3] R V OUT = R 1 mv g

13 8.5 Wartość napięcia na wyjściu UCA [V] 6 Wartość napięcia na wyjściu UCA [V] R2/R1=2 5 4 R2/R1=2.5 R5/R=3/ R2/R1=1 3 2 R2/R1=1 R5/R=3/ R2/R1= Przyspieszenie [g] 1 R2/R1=5 R5/R=3.09/ Przyspieszenie [g]

14 I L R L Pomiar prądu Efekt Halla I U OUT U M R M V H I L : 0 3 A R M : 5/3 Ω U M : 0 5 V η = P P L OUT = U OUT U OUT : 0 20 V I U L OUT I I L 2 L R M = 3 4 V H = B R H I B d

15 Wielozakresowy czujnik natężenia prądu [7] I P N P = I W N W

16 Przykładowa aplikacja V+ V- JP6 1 2 CURRENT IN JP SELECT OUT JP CURRENT RANGE COIL5 COIL4 COIL3 COIL2 COIL1 IN1 IN2 IN3 IN4 IN U2 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 COIL1 COIL2 COIL3 COIL4 COIL5 +VCC -VCC OUT Hall Current Measure R9 R8 RESISTOR 1k V V- U3 6 OP07 R11 4.7k RTDAC_AIN1 R10 4.7k

17 Scalone czujniki natężenia prądu [8] RS+ V RS+ -I L R SENSE Q2 V RS+ RG1 A1 I L R SENSE A2 V RS+ -I L R SENSE RG2 Q1 RS- OUT Metody wykorzystują rezystor pomiarowy włączony szeregowo z obciążeniem. Dla MAX471: R SENSE 35mΩ Współczynnik konwersji: I OUT /I L = 0.5 ma/a Komparator sygnalizuje kierunek przepływu prądu przez obciążenie. MAX471 I L R SENSE = I OUT R G1 COMP SIGN UWAGA! Pomiar prądu do kilku - kilkunastu (zewnętrzny rezystor pomiarowy) amperów.

18 Pomiar temperatury W zależności od zakresu temperatur możliwość użycia: Zintegrowanych scalonych, półprzewodnikowych czujników temperatury ( C), Termopar ( C), Czujników rezystancyjnych typu Pt100, termistorów ( C). Parametry: Czułość (najlepsze rezystancyjne 10-4 C), Bezwładność (najlepsze termopary 0.1s, 10µs), Stałość charakterystyk temperaturowych (najlepsze rezystancyjne), Temperaturowy zakres pracy. Zastosowanie: Regulacja temperatury, Systemy alarmowe i zabezpieczeń.

19 Termistor Realizuje funkcję: R T =f(t) Produkowane jako: NTC(ang.Negative Temperature Coefficent), PTC (ang. Positive Temperature Coefficent), +9V +VCC 2 1 RT1 THERMISTOR t R R2 2k 2 R1 4.7k V U1 6 LM741 R1 470 D1 LED D1 LED 1 2 RT1 THERMISTOR t R U1 6 LM741 OUT

20 Termopara Przewody kompensacyjne mv Zimne końce termopary Przewodnik 1 Przewodnik 2 Zjawisko termo-elektryczne Polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie złożonym z dwóch przewodników, których spojenia mają różne temperatury (różna koncentracja swobodnych nośników ładunków elektrycznych w obu spojeniach oraz różna praca wyjścia. SEM jest proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz. Gorący koniec termopary

21 Pomiar temperatury z wykorzystaniem termopary R9: Ustala górną granicę zakresu pomiarowego. R3: Ustala dolną granicę zakresu pomiarowego.

22 Scalone układy pomiarowe dla termopary (AD595 Analog Devices [4]) +C,-C,+T,-T: Umożliwiają kalibrację układu dla innych rodzajów termopar

23 Podstawowe parametry: Dokładność: 0.5 C dla +25 C, Zakres temperaturowy: 55 C do +150 C, Napięcie zasilania: od +4.0V do +30V, Wyjście skalowane +10mV/ C, Nieliniowość: ±1/4 C. Scalony czujnik temperatury LM35 +Vcc (4 20V) +Vcc (4 20V) LM35 Output (0mV+10 mv/ C) LM35 Output (0 10 mv/ C) Wyjście z czujnika proporcjonalne do temperatury w C -Vss

24 Przykładowe aplikacje (National Semiconductors) [9] C

25 Scalone czujniki TMP03/04 [11] Struktura układu Czujnik temperatury Podstawowe parametry: Dokładność ±1.5 C od 25 C do +100 C, Zakres temperaturowy: 25 C do +100 C, max. do 150 C przy obniżonej dokładności, Napięcie zasilania: od +4.5V do +7V, Wyjście typu Open collector. V PTAT V REF Modulator cyfrowy T 1 T 2 Format sygnału wyjściowego D OUT V+ GND 400 T Temp [ o C] = 235 T T Temp [ o F] = 455 T2 1

26 TMP03/04 zasada działania Schemat blokowy modulatora sigma-delta (Σ ) Przebiegi czasowe

27 Pomiar kąta i położenia Enkodery (HP) Budowa enkodera HEDS9x [1] CH A: Fala A. CH B: Fala B. CH I: Sygnał pełnego obrotu tarczy enkodera.

28 Przebiegi poszczególnych sygnałów

29 Indukcyjne czujniki obrotu

30 Mikrofalowe czujniki położenia (Balluff) [5] Element pomiarowy (ang. waveguide) stanowi rurka ze stopu niklowożelazowego o średnicach: - zewnętrzna: 0.7mm - wewnętrzna: 0.5mm Prędkość propagacji fali mechanicznej: 2830 m/s

31 Przebiegi sygnałów

32 Literatura 1. Agilent Technologies Inc., Three Channel Optical Incremental Encoder Modules. Technical Data. HEDS-9040/9140, October, Analog Devices, ADXL150/ADXL250. Single/Dual Axis Accelerometers, Data Sheet, USA, Analog Devices, ADXL105 Single Axis Accelerometer with Analog Input, Data Sheet, USA, Analog Devices, AD594/595. Monolithic Thermocouple Amplifiers with Cold Junction Compensation, Data Sheet, USA, Balluff, Micropulse Transducers. BTL5 The New Generation, Elektronika Praktyczna, Parametry Czujników Indukcyjnych, Grudzień, 1999, s LEM, Current Transducer LA 25-NP, September, MAXIM, MAX471. Data Sheet. 9. National Semiconductors, LM35. Precision Centigrade Temperature Sensors, Data Sheet, November, RS Components, Hall Effect Transducers, Current and Voltage, Data Sheet, March, Analog Devices, TMP03/TMP04 Serial digital output thermometers, Data Sheet, USA, 2002.