Podstawy mechatroniki 5. Sensory II

Transkrypt

1 Podstawy mechatroniki 5. Sensory Politechnika Poznańska Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Poznań, 20 grudnia 2015

2 Budowa w odróżnieniu od czujników indukcyjnych mogą, oprócz obiektów metalowych wykrywać, obiekty nieprzewodzące np. tworzywa sztuczne, obiekty znajdujące się za nieprzewodzącą warstwą, co czyni go klasycznym czujnikiem do wykrywania obecności płynów czy granulatu poprzez ścianki pojemnika. Głównymi składnikami czujnika pojemnościowego są: głowica z elektrodami, potencjometr P, oscylator, układ detekcji i układ wyjściowy

3 C = ε oε r S d gdzie: C - pojemność kondensatora, S - powierzchnia elektrod, ε o - stała elektryczna (dla próżni lub powietrza), ε r stała dielektryczna materiału wypełniającego kondensator, d odległość pomiędzy elektrodami. Zasada działania Rysunek: Układ elektrod w kondensatorze: a) kondensator z elektrodami A i B umieszczonymi naprzeciw siebie, b) kondensator otwarty z elektrodami A i B położonymi w jednej płaszczyźnie.

4 Materiał przewodzący Obiekt przewodzący, umieszczony w polu elektrostatycznym kondensatora otwartego, staje się sam elektrodą pośrednią C, a pojemność takiego układu jest zawsze większa od pojemności kondensatora bez elektrody pośredniej

5 Materiał nieprzewodzący Obiekty nieprzewodzące (izolatory) umieszczone w polu elektrostatycznym kondensatora otwartego zwiększają jego pojemność, proporcjonalnie do stałej dielektrycznej izolatora. Wynika to z tego, że pojemność początkowa kondensatora otwartego związana jest z przenikalnością powietrza, a stałe dielektryczne cieczy czy ciał stałych są zawsze większe od stałej dielektrycznej powietrza

6 Głowica czujnika Układ pól elektrycznych w głowicy czujnika pojemnościowego

7 Zmiana pojemności Rysunek: Struktura pojemnościowa czujnika dla obiektu: a) nieprzewodzącego, b) przewodzącego nieuziemionego, c) przewodzącego uziemionego

8 Zakres działania Rysunek: Definicje odległości działania czujnika pojemnościowego

9 Odmiany czujników Rysunek: Typowe odmiany czujników pojemnościowych

10 Montaż czujników Rysunek: Sposoby montażu czujników pojemnościowych: a) powierzchniowych, b) niepowierzchniowych

11 Wpływ stałej dielektrycznej Rysunek: Zakres przełączeń czujnika pojemnościowego w funkcji stałej dielektrycznej nieprzewodzącego obiektu wykrywanego

12 Wartości stałej dielektrycznej Rysunek: Stała dielektryczna ε r różnych materiałów nieprzewodzących

13 Korekcja Rysunek: Współczynniki korekcji dla czujników pojemnościowych w zależności od wykrywanych materiałów

14 Czujniki specjalne Rysunek: Czujnik z dodatkową elektrodą kompensacyjną

15 Zastosowanie Rysunek: Wykrywanie i odrzucanie niepełnych pojemników z płynem

16 Zastosowanie Rysunek: Zliczanie szklanych lub metalowych pojemników

17 Zastosowanie Rysunek: Monitorowanie poziomu płynu w zbiorniku i wykrywanie poziomu napełnienia przewodów

18 Zastosowanie Rysunek: Monitorowanie zawartości opakowania

19 Ogólna budowa Rysunek: Elementy zbliżeniowego czujnika magnetycznego

20 Pole magnetyczne Rysunek: Źródła pola magnetycznego

21 Własności magnetyczne materiałów Rysunek: Orientacja domen w ferromagnetyku: a) ferromagnetyk nienamagnesowany, b) ferromagnetyk namagnesowany zewnętrznym polem magnetycznym Wszystkie substancje wykazują własności magnetyczne, różnią się jednak wartością siły oddziaływania z polem magnetycznym. Stosownie do własności magnetycznych wyrażonych przez względną przenikalność magnetyczną µ r dzielą się na: diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki.

22 Własności magnetyczne materiałów Rysunek: Pętla histerezy magnetycznej ferromagnetyków: a) twardego, b) miękkiego Ferromagnetyki umieszczone w zewnętrznym polu magnetycznym ulegają namagnesowaniu lub rozmagnesowaniu. Towarzyszy temu zjawisko histerezy, kształt zależy od własności ferromagnetyka.

23 Kontaktron - budowa Rysunek: Kontaktron: a) budowa, b) kontaktron w polu magnetycznym Kontaktron składa się z hermetycznej bańki szklanej, w której w atmosferze gazu obojętnego lub w próżni, zatopione są dwie cienkie blaszki z materiału ferromagnetycznego. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego indukują się w nich własne pola magnetyczne. Na jednej z powierzchni styku pojawi się biegun N, a na drugiej biegun S

24 Kontaktron - zabezpieczenia Rysunek: Zabezpieczenia kontaktronów (C kondensator. R rezystor, D dioda, W warystor) Stosowanie dodatkowych zabezpieczeń pozwala uniknąć degradacji powierzchni styku i zmniejszenia trwałości kontaktronu. Maksymalna częstotliwość zwykle nie przekracza ona Hz a prąd płynący może osiągać nawet wartości do 3A.

25 Kontaktron - zasada działania Rysunek: Liczba zamknięć kontaktronu normalnie otwartego (OFF), podczas ruchu magnesu wzdłuż osi kontaktronu Kontaktron posiada trzy miejsca A, B, C, w których może nastąpić zamknięcie jego styków. Nie w każdym przypadku zbliżenie magnesu do tej strefy spowoduje zamknięcie styków. Zależy to od ustawienia osi magnetycznej magnesu względem osi kontaktronu.

26 Efekt Halla Rysunek: Efekt Halla Gdzie: R H stała Halla (określająca ruchliwość nośników energii), d grubość płytki.

27 Efekt magnetorezystancyjny Rysunek: Efekt magnetorezystancyjny Magnetorezystory AMR są to anizotropowe elementy półprzewodnikowe, charakteryzujące się silną zależnością rezystancji od natężenia pola magnetycznego.na czujniki stosuje się cienkie taśmy z ferromagnetycznego materiału permalloy (20% Fe, 80% Ni).

28 Efekt magnetorezystancyjny Rysunek: Efekt Wieganda: a) Przewód impulsowyź cewką, b) impuls napięciowy przed i po zmianie kierunku zewnętrznego pola magnetycznego (biegunów magnesu) Efekt Wieganda polega na generowaniu elektrycznego impulsu w zwojach cewki nawiniętej na przewodzie ferromagnetycznym o unikalnych właściwościach magnetycznych.

29 Czujnik magnetyczny z kontaktronem Rysunek: Czujnik magnetyczny z kontaktronem: a) schemat czujnika i stanu wyjścia, b) zakres działania: S max maksymalny zasięg czujnika, H histereza

30 Strefy działania czujnika magnetycznego z kontaktronem Rysunek: Strefy zadziałania magnetycznego czujnika kontaktronowego w zależności od położenia magnesu i jego orientacji

31 Czujnik magnetyczny z hallotronem Rysunek: Czujnik magnetyczny z hallotronem Maksymalna częstotliwość przełączania stanu wyjścia jest dla tych czujników duża nawet ponad 300 khz. Maksymalny prąd przepływający przez hallotron jest zwykle poniżej 1A.

32 Czujnik magnetorezystancyjny Czujnik magnetorezystancyjny: a)schemat, b)mostek Wheatstone a z magnetorezystorami. Należy zachować właściwe kierunki pochylenia elektrod (kompensacja cieplnych zmian temperaturowych, podwojenie sygnału). W wyniku zbliżania magnesu do czujnika następuje, zmiana rezystancji czujnika i rozrównoważenie mostka pomiarowego. Rozrównoważenie to jest liniową funkcją zmiany natężenia pola magnetycznego.

33 Czujnik magnetorezystancyjny Rysunek: Czujnik magnetorezystancyjny: a)schemat, b) mostek Wheatstone a z magnetorezystorami Maksymalna częstotliwość przełączania stanu wyjścia jest dla tych czujników duża nawet ponad 300 khz. Maksymalny prąd przepływający przez hallotron jest zwykle poniżej 1A.

34 Czujnik magnetyczny Wieganda Rysunek: Tryby pracy czujnika magnetycznego Wieganda a) ruchome pole magnetyczne, b) ruchomy przewód impulsowy

35 Czujnik magnetyczny Wieganda Czujnik magnetyczny Wieganda ze stacjonarnymi magnesami umieszczonymi w głowicy czujnika wraz z cewką nawiniętą na przewodzie impulsowym. W tym przypadku zmianę kierunku pola magnetycznego może wywoływać ferromagnetyk poruszający się przed czołem czujnika. Rozwiązanie to może posłużyć do zliczania przedmiotów ferromagnetycznych przesuwających się przed czujnikiem (np. do pomiaru prędkości obrotowej koła zębatego, rejestrując liczbę zębów przesuwających się przed czujnikiem). W takim przypadku odwrócenie strumienia magnetycznego w przewodzie impulsowym zdarza się dwa razy częściej niż częstotliwość przechodzenia zębów koła zębatego nad biegunami magnetycznymi czujnika. Czujniki Wieganda nie wymagają zasilania, mogą być wykonywane jako proste czujniki dwuprzewodowe i są odpowiednie do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Charakteryzuje je wysoka częstotliwość generowanych impulsów (nawet do 20 khz) oraz wysoki i powtarzalny impuls napięcia wyjściowego (kilka woltów).

36 Czujnik magnetyczny Rysunek: Czujnik magnetyczny do wykrywania przedmiotów ferromagnetycznych w ruchu Najprostsze magnetyczne czujniki składają się z magnesu stałego i nawiniętej dookoła niego cewki. Nie mogą one jednak być stosowane do wykrywania nieruchomych przedmiotów, ponieważ napięcie wyjściowe zależy od tego jak szybko wykrywany przedmiot zbliża się do czujnika. Dla nieruchomego przedmiotu napięcie wyjścia spada ono do zera.

37 Czujnik magnetyczny Rysunek: Oddziaływanie elementów wykonanych z materiałów ferromagnetycznych i nieferromagnetycznych na własności czujnika magnetycznego

38 Aplikacje czujników magnetycznych Rysunek: Wykrywanie położenia tłoka poprzez niemagnetyczny korpus cylindra z użyciem magnetycznego czujnika kontaktronowego

39 Aplikacje czujników magnetycznych Rysunek: Pomiar prędkości obrotowej magnetycznym czujnikiem Wieganda

40 Aplikacje czujników magnetycznych Rysunek: Wykrywanie pozycji kątowej stołu magnetycznym za pomocą magnetycznego czujnika Halla

41 Aplikacje czujników magnetycznych Rysunek: Pomiar prędkości obrotowej magnetycznym czujnikiem magnetorezystancyjnym