Podstawy mechatroniki 4. Sensory

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Podstawy mechatroniki 4. Sensory"

Amalia Czarnecka
7 lat temu
Przeglądów:

1 Podstawy mechatroniki 4. Sensory Politechnika Poznańska Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn Poznań, 07 grudnia 2015

2 Wprowadzenie stotnym składnikiem systemów mechatronicznych są sensory, tzn. urządzenia przeznaczone do pomiaru wielkości fizycznych określających stan zespołów lub procesów w tych systemach. Sensory są odpowiednikiem zmysłów w układach technicznych. Sygnały elektryczne z elementów czujnikowych (sensorów) są dostarczane dalej do urządzeń przetwarzających (sterowników, regulatorów, komputerów itp.), lub też przekazywane jako dane np. przez sieć komunikacyjną. W zależności od rodzaju sygnałów rozróżnia się następujące wejścia tych urządzeń: wejścia analogowe, wejścia cyfrowe (w tym binarne), wejścia licznikowe lub wejścia impulsowe.

3 Rodzaje wyjść w czujnikach Wejścia analogowe. Oprócz mierzonej wielkości (napięcie, prąd, oporność, ładunek, pojemność) należy również uwzględnić możliwe zakresy pomiarowe, oporność wewnętrzną (własną), czułość, rozdzielczość i dokładność. Wejścia cyfrowe. Sygnały cyfrowe są opisywane ich szerokością (= liczba bitów) i poziomem sygnału (0 V/ +10 V, TTL, CMOS, +/-12 V). Za pomocą jednego bita można np. określić stan przełącznika (inicjatora). Jeżeli wejście jest zorganizowane w byte (= 8 bit), to wartość sygnału przekazywana jest najczęściej jako liczba dziesiętna lub heksadecymalna. Wejścia impulsowe. Jako impuls określa się krótkotrwałą zmianę pomiędzy dwoma stanami poziomu sygnału (napięcia). Wejście impulsowe reaguje na taką zmianę.każdy impuls nadaje (zmienia) wartość liczbową wewnętrznego licznika.

4 Definicja Czujnik jest urządzeniem, w którym wielkość fizyczna na wejściu jest przetwarzana na elektryczną wielkość na wyjściu. nne określenia czujnika to sensor, przetwornik pomiarowy i dajnik sygnału. Za pomocą sensora można elektrycznie mierzyć różne wielkości fizyczne.

5 Budowa sensora Funkcjonalnie sensor składa się z:elementu czujnikowego, który zamienia wielkość mierzoną na sygnał elektryczny oraz układu przetwarzania sygnału, który dostarcza znormalizowanego sygnału wyjściowego.

Przykład sensora ciśnienia Na rys. pokazano przykład sensora ciśnienia. Układom elektronicznym do przetwarzania sygnałów stawia się wysokie wymagania.

6 Przykład sensora ciśnienia Na rys. pokazano przykład sensora ciśnienia. Układom elektronicznym do przetwarzania sygnałów stawia się wysokie wymagania. Realizują one zwykle następujące funkcje: wzmacnianie, linearyzacja, kompensacja temperatury, powiązanie sygnałów oraz przetwarzanie sygnału na postać analogową lub cyfrową.

7 Klasyfikacja Ze względu na szeroki zakres zastosowań sensorów, a szczególnie różnorodność mierzonych wielkości, są one różnie klasyfikowane. Podstawą klasyfikacji są mierzone wielkości, zasady działania sensorów, technologie wytwarzania, postacie sygnału, a także koszty. W zależności od stopnia integracji elementu czujnikowego z przetwarzaniem sygnału rozróżnia się (rys. następny slajd): sensory elementarne (proste), sensory zintegrowane, sensory zaawansowane (inteligentne). Działanie sensorów jest oparte na różnych zasadach, w których wykorzystuje się wszelkiego rodzaju zjawiska fizyczne. W niektórych przypadkach bezpośredni pomiar danej wielkości jest bardzo utrudniony lub wręcz niemożliwy. Wówczas stosuje się pomiar wielkości pośredniej, która jest skutkiem działania wielkości mierzonej.

8 Stopnie rozwoju sensorów

9 Wymagania Ogólne wymagania dotyczące sensorów są następujące: jednoznaczne odwzorowanie wielkości wejściowej w wielkość wyjściową, nieczułość na oddziaływania innych czynników niż mierzona wielkość, w tym na zakłócenia elektromagnetyczne, liniowość charakterystyki pomiarowej, normalizacja sygnału wyjściowego (sygnały analogowe: V, V, V oraz pętla prądowa 0 20 ma lub 4 20 ma; sygnały cyfrowe z interfejsami: Centronics, RS232, RS485, lub systemy sieciowe: Profibus, nterbus, CAN, AS, Ethernet), łatwe zasilanie prądem (np. +5 V, +24 V), możliwość kontroli sprawności działania (np. dioda świecąca, zdalne odpytywanie, własne nadzorowanie sensora).

10 Klasyfikacja Sensory można klasyfikować wg różnych kryteriów. Takimi kryteriami mogą być np.: rodzaj mierzonej wielkości, wykorzystane zjawisko fizyczne, rodzaj sygnału wyjściowego, zakres pomiarowy, rozdzielczość, wymiary, itp.

11 Sensory pasywne i aktywne

12 Zjawiska wykożystywane w sensorach W celu przetworzenia sygnałów wejściowych na sygnały wyjściowe, stosowane są różne zjawiska (efekty) fizyczne. Dlatego też rozróżnia się sensory: pojemnościowe, indukcyjne, rezystancyjne (oporowe), piezoelektryczne, magnetooporowe, termoelektryczne, piezoelektryczne, ultradźwiękowe, wykorzystujące zjawisko Hall a, itd.

13 Czujniki indukcyjne budowa Czujniki indukcyjne stanowią najpopularniejszą grupę czujników stosowanych w układach automatyki. Wykorzystywane są one do kontroli położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami. Czujniki te reagują, na przedmioty metalowe. Podstawowymi składnikami czujnika indukcyjnego są (rys.): głowica zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator napięcia sinusoidalnego, układ detekcji (komparator) i wzmacniacz wyjściowy.

14 Czujniki indukcyjne - zasada działania W elektrycznych układach rezonansowych całkowita energia jest zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego E L cewki indukcyjnej i energii pola elektrycznego naładowanego kondensatora E C. W każdej chwili suma tych energii jest taka sama tzn. E = E L + E C = const. (rys.).

15 Czujniki indukcyjne - zasada działania W rzeczywistych obwodach LC występują zawsze dodatkowe straty energii, związane z własną rezystancją cewki i kondensatora. Z tego powodu oscylacje obwodu z rezystancją RLC będą tłumione (rys.). Oscylacje obwodu można podtrzymać, zasilając go z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym.

16 Czujniki indukcyjne - zasada działania gdzie: f częstotliwość zewnętrznego źródła sinusoidalnego, f 0 - częstotliwość własna nietłumionego obwodu LC, L indukcyjność [Henr], C pojemność [Farad]. Jest to warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów w obwodzie. Maksimum amplitudy oscylacji w obwodzie jest tym wyższe im większa jest wartość współczynnika dobroci obwodu.

17 Czujniki indukcyjne - zasada działania Współczynnik dobroci Q jest miarą strat powstających w elementach L i C, reprezentowanych przez rezystancję równoległą R. Bezstratny obwód miałby w warunkach rezonansu, nieskończenie dużą rezystancję równoległą R. m większe są straty w obwodzie tym rezystancja równoległa jest mniejsza, a tym samym współczynnik dobroci też jest mniejszy.

18 Czujniki indukcyjne - zasada działania Rysunek: a. Przykład układu generatora LC, b. Współczynnik dobroci Q układu rezonansowego. Poziom sygnału wyjściowego zależy od współczynnika dobroci Q układu rezonansowego. Mała dobroć istotnie zmniejsza sygnał wyjściowy z układu elektronicznego.

19 Czujniki indukcyjne - zasada działania

Czujniki indukcyjne - histereza Rysunek: Histereza czujnika indukcyjnego Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20%

20 Czujniki indukcyjne - histereza Rysunek: Histereza czujnika indukcyjnego Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie przekracza 20% zakresu pomiarowego. Występowanie histerezy zapewnia prawidłową pracę czujnika, gdy wykrywany przedmiot znajduje się na granicy strefy działania czujnika.

21 Czujniki indukcyjne - zakres działania Rysunek: Związek pomiędzy średnicą czujnika a nominalną strefą działania standardowych czujników indukcyjnych. Dla zwiększenia pewności działania czujnika zalecaną strefą jest Strefa robocza Sa 0.8Sn. Rzeczywista strefa działania Sr ustalana w procesie wytwarzania czujnika może odbiegać o 10% od wartości Sn.

Czujniki indukcyjne - korekcja Rysunek: Skorygowane zakresy działania czujnika indukcyjnego dla różnych materiałów przedmiotu wykrywanego.

22 Czujniki indukcyjne - korekcja Rysunek: Skorygowane zakresy działania czujnika indukcyjnego dla różnych materiałów przedmiotu wykrywanego. Czujniki z wysuniętą cewką charakteryzują się większą czułością i jednocześnie większą wrażliwością na obecność innych obiektów metalowych w ich otoczeniu.

23 Czujniki indukcyjne - rodzaje obudowy Rysunek: Czujniki indukcyjne z osłoniętą i nieosłoniętą cewką: a) charakterystyki, b) zalecenia montażowe. Czujniki o konstrukcji osłoniętej charakteryzują się większą strefą działania niż czujniki nieosłonięte, więc wolna strefa wokół nich musi być też większa.

Czujniki indukcyjne - pomiar prędkości obrotowej Rysunek: Wymagania narzucone przez normę EN 50010 przy wyznaczaniu maksymalnej

24 Czujniki indukcyjne - pomiar prędkości obrotowej Rysunek: Wymagania narzucone przez normę EN przy wyznaczaniu maksymalnej częstotliwości przełączeń wyjścia czujnika indukcyjnego. Maksymalna częstotliwość przełączania wyjścia f obliczana jest z zależności: f = 1/(t 1 + t 2 )

25 Czujniki indukcyjne - pierścieniowe Rysunek: Czujnik indukcyjny pierścieniowy: a) widok, b) związek między wielkością czujnika a minimalną wielkością wykrywanego przedmiotu.

26 Czujniki indukcyjne - odpornych na silne pola magnetyczne Rysunek: Cewki czujników indukcyjnych odpornych na silne pola magnetyczne. Najwyższą odporność na działanie zewnętrznych pól magnetycznych mają czujniki całkowicie pozbawione rdzenia, który w tradycyjnych czujnikach koncentrował wokół siebie zewnętrzny magnetyzm.

27 Czujniki - detekcja kierunku ruchu Rysunek: Rozpoznawanie kierunku ruchu dwoma czujnikami standardowymi i czujnikiem bistabilnym.

28 Czujniki indukcyjne - specjalne Rysunek: Czujnik indukcyjny z wyjściem analogowym.

29 Czujniki rezystancyjne Rysunek: Czujnik typu NAMUR a) charakterystyka, b) obwód elektryczny, są 2-przewodowymi czujnikami, których wewnętrzna rezystancja zmienia się w wyniku wykrycia metalu.

30 Łączenie czujników Rysunek: Łączenie szeregowe czujników w grupy (funkcja logiczna AND).

31 Łączenie czujników Rysunek: Łączenie równoległe czujników w grupy (funkcja logiczna OR).

32 Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych Rysunek: Uproszczona struktura systemu komunikacji bez sieci i z siecią.

33 Aplikacje Rysunek: Wykrywanie złamania wiertła i obiektów na taśmie.

34 Aplikacje Rysunek: Kontrola ciągłości drutu.

Podobne dokumenty

PRZETWORNIKI POMIAROWE

PRZETWORNIKI POMIAROWE PRZETWORNIK POMIAROWY element systemu pomiarowego, który dokonuje fizycznego przetworzenia z określoną dokładnością i według określonego prawa mierzonej wielkości na inną wielkość