SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW

Transkrypt

1 SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW Wykład WYDZIAŁ MECHANICZNY MECHATRONIKA, rok III, sem. 5 Rok akademicki 2017/2018

2 Elementy indukcyjne Elementem indukcyjnym nazywamy urządzenie, którego zadaniem jest przetworzenie dowolnej wielkości nieelektrycznej lub elektrycznej na elektryczny sygnał napięciowy lub prądowy. Sygnał powstaje przy wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Zalety elementów indukcyjnych: duża czułość i sztywność układu stateczne i bezstopniowe przekazywanie sygnału mała siła oddziaływania duża pewność ruchu Elementy indukcyjne są używane do pomiaru przesunięć oraz dowolnych wielkości fizycznych (siła, ciśnienie, itp.), które mogą być zamienione na przesunięcie proporcjonalne do ich wartości.

3 Elementy indukcyjne - podział W zależności od rodzaju ruchu części dzielimy elementy indukcyjne na: e. o liniowym ruchu ruchomej części obwodu magnetycznego e. o obrotowym ruchu ruchomej części obwodu magnetycznego Ze względu na wykorzystane zasady działania elementy indukcyjne można sklasyfikować następująco: A. e. o zmiennej indukcyjności własnej: selenoidowe o ruchomym rdzeniu dławikowe o zmiennym oporze magnetycznym dławikowe różnicowe B. e. o zmiennej indukcyjności wzajemnej transformatorowe z ruchomą częścią obwodu magnetycznego transformatorowe różnicowe z ruchomą częścią obwodu magnetycznego wariometryczne jedno z uzwojeń przesuwa się względem drugiego o budowie i działaniu zbliżonym do wirujących maszyn elektrycznych C. e. wykorzystujące powstawanie prądów wirowych

4 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy selenoidowe. Impedancja i reaktancja indukcyjna cewki selenoidu zależy od położenia rdzenia X f s gdzie s wznios rdzenia. Zasada działania Element selenoidowy do pomiaru dużych przesunięć Element selenoidowy różnicowy

5 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej Elementy selenoidowe. Można to zapisać również w formie rozwiniętej: I 2 fz 2 gdzie: f częstotliwość napięcia zasilającego; z liczba zwojów; (s) przewodność magnetyczna drogi strumienia magnetycznego (zależy od wymiarów selenoidu i kształtu rdzenia. Pomiar sprowadza się do wyznaczenia reaktancji X lub zależnej od niej impedancji Z s 2 Z R X gdzie R czynny opór uzwojenia. 2

6 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej Elementy selenoidowe. Jako miarę impedancji Z, a zatem reaktancji X oraz R można przyjąć również prąd płynący przez uzwojenie selenoidu, o ile zapewniona zostanie dostateczna stabilizacja wartości skutecznej napięcia zasilającego U I 2 2 R X gdzie: U-wartość skuteczna napięcia zasilającego, I-wartość skuteczna prądu. Powyższe zależności są zwykle nieliniowymi funkcjami s. Odpowiedni dobór kształtu rdzenia pozwala na zbliżenie tych zależności do liniowych.

7 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy dławikowe Kotwica K porusza się pod wpływem bodźców zewnętrznych i zmienia wielkość szczeliny, dzięki czemu zmienia się reaktancja przetwornika: q X 2 fz s 4 fz 10 gdzie: f-częstotliwość napięcia zasilającego, q-przekrój poprzeczny obwodu magnetycznego. Przybliżona postać wzoru jest ważna gdy przekrój magnetyczny jest stały oraz gdy część ferromagnetyczna obwodu magnetycznego nie jest nasycona i jej reluktancja może być pominięta.

8 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy dławikowe Przy szeregowym połączeniu uzwojenia elementu i impedancji Z 0 prąd płynący I będzie równy: Z0 R jx Miarą położenia kotwicy K mogą być: indukcyjność dławika, natężenie prądu płynącego w jego obwodzie, kąt przesunięcia fazowego pomiędzy napięciem U i natężeniem prądu I. Stosunkowo proste elementy są jednak ze względu na swoje wady (duża nieliniowość sygnału, brak fazoczułości względem sygnału wejściowego) oraz potrzebę pokonywania dużych sił do przesuwania części ruchomej obwodu magnetycznego należy pokonać zarówno ciężar części ruchomej jak i siły przyciągania magnetycznego działające w szczelinie rzadko stosowane. U

9 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy dławikowe różnicowe Schemat elementu dławikowego różnicowego i wykres prądów w uzwojeniach W tych układach siły przyciągania będą się prawie całkowicie równoważyć przy dowolnych wartościach. Podczas ruchu do pokonania są jedynie siły tarcia i siły ciężkości. Dla siły równej 0, zwora znajduje się w położeniu środkowym, symetrycznie względem nieruchomych części obwodu magnetycznego. Z tego powodu reluktancja oraz indukcyjność cewek są jednakowe. Pod wpływem działania siły przesuwającej zworę, reluktancje i indukcyjności cewek zmieniają się jednakowo, ale z przeciwnym znakiem.

10 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy dławikowe różnicowe Wykres wartości impedancji dla elementu dławikowego różnicowego W układzie różnicowym prądy w uzwojeniach można opisać zależnościami: U I kq R L0 I 2 R 2 2 L kq gdzie: q przekrój rdzenia obwodu magnetycznego, k wsp. proporcjonalności. U 2

11 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności własnej. Elementy dławikowe różnicowe Prąd w gałęzi, w której można umieścić wskaźnik: U wy Ważną zaletą elementów różnicowych jest automatyczne kompensowanie się wpływu zewnętrznych czynników zakłócających. I I 1 I 2 Napięcie wyjściowe (na przekątnej mostka) wynosi: Z Z f k1 1 2 gdzie: k 1 -wsp. proporcjonalności.

12 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy transformatorowe Przy ruchu kotwicy zmienia się strumień magnetyczny, który wzbudzony przez uzwojenie pierwotne jest skojarzony z uzwojeniem wtórnym.

13 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy transformatorowe Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej w uzwojeniu wtórnym jest funkcją długości szczeliny, gdyż przewodność magnetyczna 12 jest funkcją długości szczeliny: di1 di1 e2 M z1z2 12 dt dt gdzie: M-wsp. indukcyjności wzajemnej uzwojeń 1 i 2. Uwzględniając, że strumień: Otrzymujemy: z I E2 4, 44 fz1z2 I1 12 k 12

14 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy transformatorowe Funkcja E 2 ( ) jest liniowa, gdy funkcja 12 ( ) jest liniowa. W rozwiązaniach przedstawionych na schematach nie jest liniowa, ale można poprzez odpowiednią konstrukcję i dobór punktu pracy uzyskać stan w którym funkcję 12 ( ) można z pewnym przybliżeniem uznać za liniową. Elementy transformatorowe nie są fazoczułe na sygnał wejściowy.

15 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy trans. różnicowe Elementy te charakteryzują się tym, że mają dwa uzwojenia pierwotne (wzbudzenia), nawinięte na skrajnych kolumnach rdzenia i jedno uzwojenie wtórne nawinięte na kolumnie środkowej. Przy neutrealnym położeniu kotwicy strumienie wzbudzone przez oba uzwojenia są sobie równe. Stąd strumień magnetyczny kolumny środkowej, który jest różnicą strumieni wzbudzenia, wynosi więc 0, podobnie jak SEM uzwojenia wtórnego. Gdy kotwica przesuwa się z położenia naturalnego, zostaje zakłócona równowago strumieni magnetycznych. Wówczas strumień jest różny od zera, a SEM: E2 4, 44 fz1z2i

16 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy trans. różnicowe Dla elementów tego rodzaju (schematy d-f), które mają jedno uzwojenie pierwotne i dwa uzwojenia wtórne połączone przeciwsobnie, w neutrealnym położeniu kotwicy: więc: E 21 E12 k1 120 gdzie przewodność magnetyczna drogi strumienia magnetycznego w położeniu neutrealnym kotwicy.

17 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy trans. różnicowe Ze schematu połączenia wynika: E 2 E21 E22 0 Przesunięcie kotwicy z położenia neutralnego powoduje zakłócenie rozpływu strumieni, jeden rośnie a drugi maleje i wówczas E 2 jest różne od zera. Stąd wynika podstawowa zaleta elementów różnicowych ich fazoczułość względem sygnału wejściowego, dzięki czemu element pozwala rozróżnić kierunek ruchu kotwicy.

18 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy wariometryczne Dwa uzwojenia (np. nawinięte na rdzeniach toroidalnych) mogą zmieniać położenie względem siebie. Jeżeli zaciski a, b, które są końcówkami jednego z uzwojeń, zasilimy napięciem sinusoidalnie zmiennym, to w drugim uzwojeniu zostanie wyindukowana SEM, której wartość mierzoną na zaciskach c,d, można opisać następująco: di1 e cd M dt gdzie: i 1 -prąd w uwzojeniu pierwszym, M-wsp. indukcyjności wzajemnej.

19 Elementy indukcyjne o zmiennej indukcyjności wzajemnej. Elementy wariometryczne Współczynnik indukcyjności wzajemnej: M k L 1 L 2 gdzie: L 1, L 2 -indukcyjności obu uzwojeń, k-wsp. liczbowy (z zakresu 0-1). Wartość k jest funkcją wzajemnego położenia uzwojeń: k 1, 0 gdy płaszczyzny obu uzwojeń pokrywają się; gdy płaszczyzny obu uzwojeń są do siebie prostopadłe.

20 Elementy indukcyjne wykorzystujące prądy wirowe Element taki składa się z uzwojenia nawiniętego na rdzeń ferromagnetyczny (A) i części metalowej niemagnetycznej (B). Jeżeli w uzwojeniu płynie prąd przemienny, część B znajduje się w polu magnetycznym wzbudzonym przez część A, to indukują się w niej prądy wirowe, których natężenie jest zależne od grubości części B oraz strumienia magnetycznego obejmowanego przez ich obwód. Jeżeli obie części zmienią wzajemne położenie, lub zmianie ulegnie grubość części B, wpłynie to na zmianę natężenia prądów wirowych, a to z kolei wpłynie na zmianę impedancji mierzonej na zaciskach uzwojenia. Gdy uzwojenie zasilane jest ze źródła napięcia zmiennego o stałej amplitudzie i częstotliwości, miarą grubości części B lub jej przesunięcia względem części A będzie prąd w obwodzie uzwojenia.

21 Elementy magnetosprężyste Magnetosprężystością nazywa się zjawisko zależności przenikalności magnetycznej materiału od naprężenia spowodowanego działaniem siły, wywołującej rozciąganie, ściskanie, skręcanie lub zginanie materiału w granicach sprężystości. Magnetostrykcją nazywa się zjawisko zmiany wymiarów materiału ferromagnetycznego umieszczonego w polu magnetycznym. Względna zmiana przenikalności magnetycznej: 2 2 B gdzie: -przenikalność magnetyczna materiału; -naprężenie w materiale; -zmiana przenikalności magnetycznej; = l /l-magnetostrykcja materiału przy nasyceniu magnetycznym; l -zmiana długości materiału przy nasyceniu magnetycznym, l-początkowa długość materiału, B -indukcja odpowiadająca nasyceniu magnetycznemu.

22 Elementy magnetosprężyste Elementy magnetosprężyste należy wykonywać z materiałów o dużej przenikalności magnetycznej, dużej magnetostrykcji i małej indukcji przy nasyceniu (np. permalloy 78,5% lub 65% Ni). Charakterystyka wydłużenia względnego elementu magnetosprężystego Charakterystyka względnej zmiany przenikalności magnetycznej elementu magnetosprężystego

23 Elementy magnetosprężyste Zasada działania. W miejscu, gdzie ma nastąpić pomiar naprężenia lub odkształcenia (np. badanego wału), umocowuje się dwa zaciski 1. Między nimi rozpięta jest ferromagnetyczna taśma 2 wykonana z materiału magnetosprężystego. Na taśmie tej umieszczone są cewki 3 i 4; cewka 3 jest zasilana prądem zmiennym o częstotliwości akustycznej, cewka 4 połączona jest z miernikiem służącym do pomiaru małych SEM. Odkształcenia wału wywołują naprężenia w taśmie 2, powoduje to zmianę jej przenikalności magnetycznej, co powoduje zmianę indukowanej SEM.

24 Elementy magnetosprężyste Jeżeli znana jest zależność: f to pomiar naprężenia może być wykonany poprzez pomiar SEM. Charakterystyka względnego przyrostu przenikalności magnetycznej w funkcji naprężenia

25 Przetworniki hallotronowe W przetwornikach tych wykorzystuje się zjawisko Halla, polegające na powstawaniu w płytce wykonanej z półprzewodnika lub metalu włączonej w obwód prądu elektrycznego i umieszczonej w polu magnetycznym o kierunku prostopadłym do powierzchni płytki i kierunku prądu tzw. napięcia Halla o kierunku prostopadłym do kierunku prądu i i kierunku pola. Zasada działania hallotronu B-wektor indukcji magnetycznej; d-grubość płytki przetwornika; I H -prąd zasilający hallotron; U H -napięcie Halla

26 Przetworniki hallotronowe Napięcie Halla określa wzór: U H =(R H /d) I H B = S I H B gdzie: R H -wsp. Halla (zależny od materiału płytki, jego czystości i temperatury); d- grubość płytki hallotronu; I H -natężenie prądu zasilającego; B-indukcja magnetyczna; S=R H /d-czułość hallotronu. Materiałami o silnych własnościach hallotronowych są antymonek indu i arsenek indu. Dla danej płytki hallotronu i określonej wartości prądu I H napięcie Halla jest wprost proporcjonalne do indukcji B. Przetworniki Halla wykorzystywane są do pomiarów siły, momentu obrotowego i nacisków, niewielkich przemieszczeń liniowych, małych i dużych przemieszczeń kątowych, obrotów, przyspieszeń oraz pola magnetycznego. Wykonywane są tzw. mikrosensory o wymiarach rzędu mikrometrów (metodą naparowywania) pozwalające uzyskać napięcia na poziomie kilku do kilkuset mv.

27 Przetworniki hallotronowe Czujnik zbliżeniowy Czujnik hallotronowy wraz z magnesem tworzą razem szczelinową komórkę czujnikową. Może ona z powodzeniem zastąpić fotokomórki np. w środowiskach zanieczyszczonych. Czujniki pola magnetycznego

28 Przetworniki hallotronowe Możliwa realizacja czujnika prędkości lub położenia

29 Czujniki ultradźwiękowe Budowa czujnika ultradźwiękowego oparta jest o zastosowanie przetwornika piezoelektrycznego jako nadajnika i odbiornika dźwięku. Przetwornik generuje paczkę impulsów dźwiękowych i konwertuje impulsy odbite od obiektu na napięcie. Zintegrowany kontroler wylicza odległość na podstawie czasu powrotu echa oraz prędkości dźwięku. Czas trwania impulsu t i czas zanikania impulsu wpływają na strefę martwą czujnika (czujnik nie wykrywa obiektu w tej strefie). Częstotliwość emitowanego dźwięku waha się w zależności od czujnika pomiędzy 65 do 400 khz. Czujnik emituje paczki impulsów z częstotliwością 14 do 140hz. Zakres pomiarowy czujnika to różnica pomiędzy maksymalną strefą działania i wielkością strefy martwej.

30 Czujniki ultradźwiękowe. Przykłady aplikacji ZLICZANIE BUTELEK KONTROLA POZIOMU CIECZY KONTROLA ZWISU MATERIAŁU

31 Czujniki ultradźwiękowe. Przykłady aplikacji KONTROLA POZIOMU CIECZY DETEKCJA OBIEKTÓW SILNIE ODBIJAJĄCYCH ŚWIATŁO NIEWRAŻLIWOŚĆ NA ZMIANĘ KOLORU OBIEKTU WYKRYWANEGO MOŻLIWOŚĆ WYKRYWANIA MATERIAŁÓW SYPKICH. NP. KONTROLA POZIOMU PIASKU WYKRYWANIE OBIEKTÓW PRZEZROCZYSTYCH DETEKCJA RÓŻNEGO RODZAJU TKANIN

32 Filtrowanie sygnałów Filtry są czwórnikami o specjalnie ukształtowanych charakterystykach częstotliwoścowych. Ich właściwości przedstawia się zwykle za pomocą częstotliwościowych charakterystyk amplitudowej i fazowej. Sygnał po przejściu przez filtr zmienia swoje widmo. Zmiana ta polega na różnym tłumieniu amplitud i różnym przesuwaniu faz składowych widma o poszczególnych częstotliwościach. W układach pomiarowych najczęściej stosuje się filtry o częstotliwościowych charakterystykach amplitudowych: dolnoprzepustowe górnoprzepustowe środkowoprzepustowe środkowozaporowe

33 Filtrowanie sygnałów Definicje: Filtracja- proces przetwarzania sygnału w dziedzinie czasu. Polega na redukowaniu nieporządanych składowych zawartych w sygnale wejściowym Filtr- każde urządzenie posiadające selektywne charakterystyki częstotliwościowe Filtr cyfrowy- algorytm lub proces obliczeniowy w wyniku którego jedna sekwencja liczb (tzn. sygnał wejściowy) zamieniany jest w inną sekwencję (tzn. sygnał wyjściowy)

34 Filtrowanie sygnałów KRYTERIA OCENY FILTRÓW ODPOWIEDŹ AMPLITUDOWA ODPOWIEDŹ FAZOWA ODPOWIEDŹ NA SKOK JEDNOSTKOWY

35 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo przepustowe to obszar częstotliwości, w którym sygnał przechodzi przez układ praktycznie nie osłabiony. Pasmo to rozciąga się do punktu w którym amplituda spada poniżej 3dB wartości nominalnej. Punkt ten nazywany jest częstotliwością odcięcia f 3dB.

36 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Obszar przejściowy nazywany stromością nachylenia charakterystyki określa szybkość zmiany wzmocnienia wraz z częstotliwością, zawiera się między pasmem przepustowym a zaporowym.

37 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo zaporowe to pasmo częstotliwości, których amplituda ma zostać zmniejszona poniżej zaprojektowanego poziomu. Parametry oceny filtru to tętnienie pasma przepustowego i zaporowego oraz stromość nachylenia charakterystyki. W zależności od przeznaczenia filtru dopuszcza się pewien poziom tętnienia jak i określoną szerokość obszaru przejścia, możliwe jest zaprojektowanie filtru z bardzo stromą charakterystyką lub taki, który nie wprowadza zakłóceń w paśmie przepustowym.

38 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka fazowa to zależność fazy do częstotliwości. Odpowiedź fazowa jest ściśle związana z czasem opóźnienia przechodzącego przez filtr sygnału dla różnych częstotliwości. Filtry o liniowej odpowiedzi fazowej opóźniają wszystkie częstotliwości o taki sam czas. Filtry o nieliniowej odpowiedzi fazowej opóźniają różne częstotliwości o różne okresy, co wprowadza zakłócenia podobne do zjawiska rozproszenia sygnału radiowego wynikające z nieustannie zmieniającą się drogą emitowanych fal. Charakterystyka fazowa widoczna na rysunku nie jest to charakterystyka idealnie liniowa ponieważ widoczne są lekkie oscylacje fazy.

39 Filtrowanie sygnałów Odpowiedź na skok jednostkowy Czas narastania odpowiedzijest to czas w którym napięcie wyjściowe osiągnie poziom 90% do swojej wartości maksymalnej (tr) Czas ustalania - czas w jakim napięcie wyjściowe ustala się w obrębie 5% odchylenia od swojej wartości końcowej (ts) Przerzut - maksymalna wartość napięcia o jakie napięcie wyjściowe przewyższa chwilowo swoją wartość końcową. Tętnienie - oscylacje wokół średniej wartości końcowej

40 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Filtr Butterwortha w stosunku do innych filtrów ma najbardziej płaski przebieg charakterystyki amplitudowej w paśmie przepustowym. Odbywa się to kosztem załamania charakterystyki pod koniec pasma przepustowego. Ma on rownież nieliniową charakterystykę fazową. W filtrze Butterwortha najważniejszym celem jest uzyskanie maksymalnej płaskości charakterystyki amplitudowej. Charakterystyka powinna zaczynać sie maksymalnie płasko dla zerowej czestotliwosci i przeginać sie dopiero w pobliżu częstotliwości granicznej fg (fg jest zwykle częstotliwością 3dB). Filtry tego rodzaju stosuje się do filtracji sygnałów niemodulowanych, w celu wyeliminowania zakłóceń o częstotliwościach leżących poza pasmem użytecznym.

41 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa Stromość charakterystyki zależy od rzędu filtru

42 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Filtry te charakteryzują się dużą selektywnością, tętnieniami pasma przepustowego oraz zaporowego, nieliniowością charakterystyki fazowej i większą w porównaniu z filtrem Butterwortha stromością charakterystyki. Filtr Czebyszewa stanowi ulepszenie filtru Butterwortha w stosunku do nachylenia charakterystyki, tym niemniej obydwa te filtry mają niezadowalającą odpowiedź fazową a filtr Czebyszewa nawet gorszą. Filtr Czebyszewa jest też czasem nazywany filtrem o równomiernym falowaniu, gdyż tętnienia w obrębie całego pasma przepustowego są jednakowe. Ponadto gęstość ich wzrasta wraz ze wzrostem rzędu filtru. Stosuje się je przy filtracji sygnałów niemodulowanych i zmodulowanych amplitudowo w celu wyeliminowania silnych sygnałów zakłócających o częstotliwościach mało rózniących się od częstotliwości sygnału użytecznego.

43 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

44 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Filtry dolnoprzepustowe Butterwortha i Czebyszewa charakteryzują sią znacznymi oscylacjami odpowiedzi impulsowej. Idealne własciwosci przy przenoszeniu impulsow prostokatnych maja filtry, w których opóźnienie nie zależy od czestotliwosci, tzn. w których przesuniecie fazowe jest proporcjonalne do czestotliwosci. Takie własciwosci najlepiej aproksymują filtry Bessela. Filtry te charakteryzują się prawie liniowym przebiegiem charakterystyki fazowej, a więc wprowadzają do układu stałe opóźnienie czasowe w określonym paśmie częstotliwości. Filtry Bessela odznaczają się bardzo małymi przewyższeniami w sygnale odpowiedzi na skok napięcia wejściowego i szybkim narastaniem tego sygnału. Stosuje się je przede wszystkim jako filtry dolnoprzepustowe przy filtracji sygnałów zmodulowanych fazowo, ponieważ praktycznie przekształcają one sygnał bez zniekształceń fazowych.

45 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

46 Filtrowanie sygnałów Odpowiedzi na funkcję skoku jednostkowego filtrów Bessela, Butterwortha, Czebyszewa i in.

47 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Proces konwersji analogowo-cyfrowej można podzielić na trzy podstawowe etapy a mianowicie filtrowanie antyaliasingowe, próbkowanie i kwantyzacja.

48 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Filtrowanie antyalisingowe jest niezbędne gdyż widmo sygnału jest ze względu na zniekształcenia i szumy bardzo szerokie, dolnoprzepustowy filtr analogowy stosowany jest w celu ograniczenia szerokości widma rzeczywistego sygnału. Zastosowanie tego typu filtracji ma na celu zapobieżenie zjawiska nakładania się widm powstających w wyniku ich powielania podczas wykonywania próbkowania sygnału Powielanie widma (brak filtru antyaliasingowego)

49 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Efekt zastosowania filtru antyaliasingowego

50 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał analogowy można próbkować z dowolną szybkością i otrzymuje się ciąg wartości dyskretnych. Jeśli wybierzemy zbyt krótki okres próbkowania, to proces przetwarzania sygnału będzie mało efektywny i drogi. Natomiast, jeśli okres próbkowania będzie zbyt długi, to możemy utracić informacje zawarte w sygnale. Próbkowanie zbyt wolne

51 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał powinien być tym szybciej próbkowany, im szybciej ulega zmianom, tzn. im wyższe zawiera składowe częstotliwościowe. Twierdzenie o próbkowaniu lub twierdzenie Shannona-Kotielnikowa: Częstotliwość próbkowania ω s musi być co najmniej dwa razy większa od maksymalnej pulsacji ω g zawartej w widmie sygnału ciągłego, aby sygnał można było odtworzyć z sygnału próbkowanego. Maksymalna dopuszczalna w widmie sygnału ciągłego pulsacja ω s /2 nosi nazwę pulsacji Nyquista.

52 Przetwarzanie AC Próbkowanie Próbki sygnału Próbkowanie i pamiętanie Układ próbkująco-pamiętający

53 Przetwarzanie AC Kwantowanie Przedziały o stałej szerokości q Przedziały o szerokości q i q/2

54 Przetwarzanie AC Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych: całkujące (integracyjne), kompensacyjne szeregowe i z kodowaniem bezpośrednim (typu flash"), delta-sigma, impulsowo-czasowe, inne (stochastyczne, z elementem V, z przełączaniem prądów). Przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia może również działać na zasadzie kombinacji dwóch metod przetwarzania.

55 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) Mają duże znaczenie ze względu na korzystne właściwości tłumienia zakłóceń w procesie całkowania sygnału wejściowego. a) Przetworniki z podwójnym całkowaniem (względnie długi czas próbkowania składającego się z dwóch faz)

56 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) b) Przetworniki z przetwarzaniem częstotliwościowym (całkujący z uśrednianiem dyskretnym, z pojedyńczym całkowaniem) Składa się z dwóch części niezależnych od siebie: przetwornika U/f i układu do cyfrowego pomiaru częstotliwości. Przetwornik całkujący z przetwarzaniem częstotliwościowym: a) schemat blokowy: I - integrator, UR - źródło napięcia odniesienia, K - komparator, GPI - generator pojedynczego impulsu, UF - układ formujący, Gen. Twz - generator wzorcowego przedziału czasu; b) wykresy sygnałów

57 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne a) szeregowe - porównanie mierzonego napięcia U x z regulowanym napięciem odniesienia U 0 w przetworniku odbywa się krok po kroku, szeregowo w czasie. Źródłem napięcia odniesienia o przebiegu schodkowym jest przetwornik C/A Odpowiednio do stanu licznika binarnego przetwornik C/A generuje napięcie odniesienia rosnące od O co jeden kwant q aż do chwili zrównania się napięć U 0 i U x. Po zasygnalizowaniu przez komparator tej chwili licznik jest zatrzymywany, a stan licznika N jest cyfrową miarą przetwarzanego napięcia U x. Szeregowy przetwornik kompensacyjny: K - Przebieg kompensacji w przetworniku szeregowym: komparator analogowy, US - układ sterujący, C/A a) kompensacja schodkowym napięciem odniesienia, przetwornik cyfrowo-analogowy, UR - źródło napięcia b) kompensacja wagowa wzorcowego, U0 - regulowane źródło napięcia odniesienia

58 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne b)o kodowaniu bezpośrednim (równoległy przetwornik kompensacyjny, przetwornik typu flash") Napięcie mierzone Ux jest podłączone do wejść (+) szeregu komparatorów, na których wejścia (- ) załączono skwantowane napięcie wzorcowe. Na wejście (-) komparatora K 1 załączono napięcie wzorcowe U1 o wartości jednego kwantu q, na wejście (-) komparatora K2 napięcie wzorcowe U2 o wartości 2q i kolejno na wejścia (-) następnych komparatorów napięcie wzorcowe o wartości rosnącej o kwant q. Na wejście (-) komparatora KN załączono na-pięcie wzorcowe U wz = U N = N * q. Stan logiczny wyjść komparatorów zależy od wartości chwilowej U x. Sygnały z wyjść komparatorów są deszyfrowane w dekoderze i przekazywane do rejestru w takt rozkazów zapisu pochodzących z układu sterującego. Przetwornik o kodowaniu bezpośrednim: Kl, K2,... KN - komparatory analogowe, US - układ sterujący, Uwz - źródło napięcia wzorcowego, R - rejestr

59 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze parametry wielofunkcyjnych kart pomiarowych: interfejs (PCI, ISA, PCMCIA, USB 1.1 v 2.0, FireWire, RS232C itd.) liczba wejść analogowych liczba wyjść analogowych liczba wejść/wyjść cyfrowych maksymalna częstotliwość próbkowania WE i WY rodzaj i zakres sygnału wejściowego wzmocnienie rozdzielczość przetworników A/C i C/A dostępność bibliotek (C, Pascal, assembler) i sterowników

60 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze funkcje kart pomiarowych: Przetwarzanie A/C sygnałów z wejść analogowych Filtracja analogowa antyaliasingowa sygnału wejściowego Ustawianie poziomów i czasów wyzwalania dla sygnału na wejściu analogowym Generowanie żądanych sygnałów na wyjściach analogowych przetwarzanie C/A Odczyt i zapis sygnałów cyfrowych z/do portów WE/WY DIO Generowanie sygnałów o zadanej częstotliwości lub impulsów o zadanym czasie trwania Pomiar częstotliwości sygnału wejściowego lub czasu trwania impulsu Przechowywanie danych pomiarowych i konfiguracyjnych w jej pamięci

61 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Schemat blokowy komputerowej karty pomiarowej DAQ

62 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe przyrządy wirtualne Przyrządy pomiarowe Struktura wirtualnego przyrządu pomiarowego

63 Przyrządy wirtualne i tradycyjne porównanie

64 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Szybka transmisja danych wymaga równoległych interfejsów komunikacyjnych i jak najkrótszych odległości pomiędzy urządzeniami. Oba te czynniki występują w kasetowych i modułowych systemach pomiarowych. Systemy kasetowe (CAMAC, VXI) złożone są z kaset mocowanych w specjalnych stojakach, a w kasetach instalowane są specjalizowane moduły z blokami funkcjonalnymi, odległość miedzy kasetami zwykle nie przekracza 50 cm. Systemy kasetowe wyposażane są w moduły dedykowane tylko do tych systemów, co z jednej strony dobrze wpływa na parametry systemów, ale z drugiej czyni je systemami specjalizowanymi i również drogimi. Zwykle w obudowie jedno gniazdo zajmuje moduł kontrolera, który jest tak naprawdę komputerem PC wyposażonym we wszystkie typowe elementy (procesor, dysk twardy, pamięć, interfejsy komunikacyjne: USB, Ethernet, a także wyjścia do podłączenia monitora jeśli jest używany). Należy tutaj dodać, że po spełnieniu pewnych warunków obudowa PXI z kontrolerem i modułami może pełnić rolę komputera przemysłowego i pracować w trudniejszych niż laboratoryjne warunki. Są również dostępne obudowy przenośne. Moduł PXI o wymiarach 3U i obudowa PXI z wyświetlaczem

65 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Budowa systemu bazuje na popularnej w komputerach osobistych magistrali PCI (również PCIExpress). Moduły systemu PXI są elementami o wymiarach Eurokarty o wymiarach: 160x100 mm (3U) i 160x233 mm (6U). Moduły umieszcza się gniazdach obudowy.każdy moduł ma dwa złącza jedno do transferu danych po magistrali PCI (J1) i drugie do transferu sygnałów (zegarowych, synchronizacji) magistrali PCI (J2). Obudowy są oferowane w różnych wielkościach i konfiguracjach. Magistrala systemu modułowego PXI

66 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - obudowy NI PXIe-1085 (16) NI PXIe-1071 (3)

67 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - kontrolery NI PXIe-8100 RT NI PXIe-8100 RT Atom D GHz 512 MB (1 x 512 MB DIMM) 667 MHz DDR2 RAM standard, 1 GB maximum 1 GB/s maximum system and 250 MB/s maximum slot bandwidth Integrated USB, serial, and Gigabit Ethernet Highest performance: 24 GB/s system bandwidth and 8 GB/s slot bandwidth 2.3 GHz eight-core Intel Xeon E5-2618L v3 processor (3.4 GHz maximum single-core, Turbo Boost mode) 8 GB (1 x 8 GB DIMM), triple-channel 1866 MHz DDR4 RAM standard, 24 GB maximum 2 x USB 3.0, 4 x USB 2.0, 2 x Gigabit Ethernet LAN, DisplayPort, GPIB and SMB trigger

68 Sterowniki komputerowych układów pomiarowych Parametry/cechy jednostki centralnej (komputera/sterownika) mające wpływ na pracę układu pomiarowego: Procesor Pamięć operacyjna Przepustowość szyny / organizacja przepływu danych Układ graficzny Pamięć masowa (HDD, flash,.) Obsługiwane interfejsy komunikacyjne (zewnętrzne i wewnętrzne) Możliwość rozbudowy, konfiguracji System operacyjny Oprogramowanie

69 Interfejsy komunikacyjne Standardowe interfejsy (magistrale) w komputerach klasy PC wykorzystywane do podłączania urządzeń pomiarowych: - do montażu urządzeń wewnątrz komputera: ISA, EISA, PCI, PCI-X, PCI Express, MiniPCI, AGP, SCSI, ATA, SATA do podłączania urządzeń zewnętrznych: PCMCIA, Express Card, USB, FireWire, RS232C, Centronics,

70 Interfejsy komunikacyjne ISA (ang. Industry Standard Architecture bus) standardowa 16-bitowa szyna danych (w starszych urządzeniach 8-bitowa) o częstotliwości 8MHz co daje szybkość transmisji do 8 MB/s (efektywna w granicach od 1,6 MB/s do 1,8 MB/s) - do transmisji wymaga od 2 do 8 cykli zegara. Podstawowa zaleta niewielki koszt obecnie rzadko stosowana. Do magistrali ISA dołącza się karty komputerowe obsługujące urządzenia o dużej szybkości pracy (karty interfejsowe, karty pomiarowe, układy akwizycji danych i in.)

71 Interfejsy komunikacyjne PCI (ang. Peripheral Component Interconnect bus) standardowa 32 i/lub 64 bitowa szyna danych o częstotliwości 33MHz (66MHz w wersji PCI 2.1) co daje maksymalną szybkość transmisji danych 133MB/s i odpowiednio 264 MB/s (możliwe tylko w trybie transmisji seryjnej, w którym po jednorazowym zaadresowaniu odbiorcy transmitowany jest blok danych o dowolnej długości). Wersje PCI Wersja PCI 2.0 PCI 2.1 PCI 2.2 PCI 2.3 Rok wprowadzenia Maksymalna szerokość szyny danych Maksymalna częstotliwość taktowania Maksymalna przepustowoś ć bity 64 bity 32 bity 64 bity 33 MHz 33 MHz 66 MHz 66 MHz 133 MB/s 266 MB/s Napięcie 5 V 5 V 266 MB/s 533 MB/s 5 V / 3,3 V 3,3 V Zastosowanie dołączanie kart komputerowych obsługujących urządzenia o dużej szybkości pracy (karty interfejsowe, karty pomiarowe, układy akwizycji danych i in.

72 Interfejsy komunikacyjne PCI-X (ang. Peripheral Component Interconnect Extended) - szybsza wersja znanego standardu PCI. Szyna ta oferuje transmisję danych rzędu 4,3 GB/s, czyli 32 razy szybciej niż pierwsze PCI. Magistrala ta jest wstecznie zgodna z PCI (zarówno stare karty pasują do nowych gniazd, jak i nowe karty do starych gniazd), istotne jest tylko dopasowanie napięciowe. Wersje PCI-X wersja PCI-X 1.0 PCI-X 2.0 PCI-X 3.0 rok wprowadzenia maksymalna szerokość szyny danych 64 bity 64 bity 64 bity maksymalna częstotliwość taktowania maksymalna przepustowość 133 MHz 533 MHz 1066 MHz 1066 MB/s 4264 MB/s 7,95 GB/s napięcie 3.3 V 3.3 V/1.5 V 3.3 V/1.5

73 Interfejsy komunikacyjne PCI Express (ang. Peripheral Component Interconnect Express), oficjalny skrót PCIe połączenie Point-to-Point służące do instalacji kart rozszerzeń na płycie głównej. Zastąpiła ona magistrale PCI oraz AGP. Istnieje możliwość wyprowadzenia interfejsu PCIe na zewnątrz. Wariant PCIe x1 v1.0 x2 v1.0 x4 v1.0 x8 v1.0 x16 v1.0 x16 v2.0 x16 v3.0 Przepustowość (w każdym kierunku) 250 MB/s 500 MB/s 1000 MB/s 2000 MB/s 4000 MB/s (4 GB/s) 8000 MB/s (8 GB/s) MB/s (16 GB/s) Częstotliwość taktowania wynosi 5.0 GHz (v2.0). Protokół transmisji wprowadza dwa dodatkowe bity, do każdych ośmiu bitów danych. Zatem przepustowość jednej linii wynosi 500 MB/s (v2.0). W związku z tym, że urządzenia mogą jednocześnie przekazywać sygnał w obydwu kierunkach (fullduplex), można założyć, że w przypadku takiego wykorzystania złącza transfer może sięgać 1GB/s (v 2.0).

74 Interfejsy komunikacyjne PCMCIA (ang. Personal Computer Memory Card International Association) magistrala stosowana głównie w komputerach przenośnych i pełni podobne funkcje co magistrala PCI. Po wprowadzeniu standardu Card Bus zwiększona została długość słowa z 16 do 32 bitów oraz częstotliwość taktowania do 33 MHz. Rodzaje ze względu na wielkość: Karta typu I - karta o grubości 3,3 mm pełniąca funkcje karty pamięci SRAM lub Flash. Karta typu II - karta o grubości 5,0 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń (modem, karta sieciowa, czytnik kart pamięci, inne). Karta typu III - karta o grubości 10,5 mm pełniąca funkcje karty rozszerzeń (dysk twardy). Rodzaje ze względu na interfejs: PC Card 16 - interfejs magistrali ISA 16bit, zasilanie 5V. Złącze posiada cienki ząb z prawej strony. CardBus - interfejs magistrali PCI 32bit, zasilanie 3-3,3V. Złącze posiada gruby ząb z prawej strony. Złącze Card Bus służy do dołączania urządzeń pomiarowych: kart interfejsów komunikacyjnych, kart pomiarowych DAQ, modemów GSM, itp.

75 Interfejsy komunikacyjne ExpressCard standard złącza stosowanego w komputerach PC, najczęściej w notebookach. Złącza tego typu są następcami standardu PCMCIA (PC Card), zostały one również zaproponowane przez tę samą organizację. Urządzenia korzystające ze standardu ExpressCard mogą komunikować się z komputerem za pomocą standardu PCI Express lub USB. Występują dwa typy kart ExpressCard: ExpressCard 54 - karty o szerokości 54 mm, długości 75 mm i grubości 5 mm ExpressCard 34 - karty o szerokości 34 mm, długości 75 mm i grubości 5 mm Karty ExpressCard 34 można umieścić w gniazdach ExpressCard 54.

76 Interfejsy komunikacyjne USB uniwersalna magistrala szeregowa umożliwia następujące rodzaje transmisji: -transmisja z przerwaniami związana z okresowym odpytywaniem urządzeń powolnych, np.: mysz, klawiatura -transmisja segmentowa, stosowana w przypadku urządzeń o komunikacji nieregularnej, ale szybkiej (np.: drukarka) -transmisja izochroniczna: dotyczy pracy urządzeń w czasie rzeczywistym (np.: napęd CD) Podstawowe cechy magistali USB: -jeden typ przerwań i jedna przestrzeń adresowa USB -możliwość dołączania do 127 urządzeń -jeden typ kabla i złącza dla urządzeń USB, kabel jest 4 żyłowy: 2 przewody sygnałowe (do transmisji różnicowej jednego sygnału), 2 przewody zasilające -szybkość transmisji: w standardzie 1.1 do 12 Mb/s, w standardzie 2.0 do 480 Mb/s, w standardzie 3.0 do 5Gb/s, w standardzie 3.1 (od 2015r.) do 10Gb/s -możliwa instalacja urządzenia wlocie -możliwość zasilania urządzeń USB z komputera port USB zawiera zasilacz 5V z obciążalnością do 0,5A dla urządzeń zewnętrznych (v. 2.0), 5V i 0.9 A dla v 3.0.

77 Interfejsy komunikacyjne - do podłączania urządzeń zewnętrznych: IEEE-1394 magistrala szeregowa (Fire Wire) przeznaczona do podłączania urządzeń wymagających dużej szybkości transmisji (kamery cyfrowe, czytniki nośników optycznych, urządzenia pomiarowe, aparatura medyczna, nawigacyjna). Umożliwia następujące rodzaje transmisji: izochroniczną i asynchroniczną Podstawowe cechy magistali IEEE-1394 (Fire Wire): -jeden typ przerwań i jedna przestrzeń adresowa -możliwość dołączania do 63 urządzeń -jeden typ kabla i 3 złącza dla urządzeń (4, 6 i 9 stykowe) -duża szybkość transmisji: w standardzie IEEE-1394a do 400 Mb/s, w standardzie IEEE-1394b do 800 Mb/s -możliwa instalacja urządzenia wlocie -możliwość zasilania urządzeń z komputera port może zasilać urządzenia zewnętrzne napięciem do 30V z obciążalnością do 1,5A dla

78 Interfejsy komunikacyjne parametry