BEZDOTYKOWY CZUJNIK ULTRADŹWIĘKOWY POŁOŻENIA LINIOWEGO

Transkrypt

1 Temat ćwiczenia: BEZDOTYKOWY CZUJNIK ULTRADŹWIĘKOWY POŁOŻENIA LINIOWEGO 1. Wprowadzenie Ultradźwiękowy bezdotykowy czujnik położenia liniowego działa na zasadzie pomiaru czasu powrotu impulsu ultradźwiękowego, odbitego od danego przedmiotu. Czujnik wykorzystuje wysokoczęstotliwościowy przetwornik ultradźwiękowy (dysk z ceramiki piezoelektrycznej), pracujący jako nadajnik i odbiornik fali ultradźwiękowej. Po impulsie nadawczym czujnik przełącza się w tryb odbiorczy. Cykle nadawania i odbioru powtarzane są automatycznie. Echo impulsu nadanego, po odbiciu się od celu, powraca do przetwornika po czasie proporcjonalnym do odległości od tego celu. Czas ten mierzony jest w układzie czujnika. Odległość od celu obliczana jest w sensorze w oparciu o uzyskany wynik pomiaru czasu powrotu echa zakłada się przy tym stałą wartość prędkości propagacji fali ultradźwiękowej w powietrzu. Czujnik może dodatkowo porównać odległość wyznaczoną z nastawioną przez użytkownika wartością progową. Czujnik w zależności od wykonania może pracować jako zbliżeniowy z jednym lub dwoma progami (rys. 1 i 2) lub jako czujnik położenia liniowego (rys. 3). W pierwszym przypadku generowana jest jedynie informacja na temat przekroczenia odległości progowej, w drugim czujnik dostarcza również wartość odległości od przedmiotu. Rys. 1. Zasada działania ultradźwiękowego czujnika zbliżeniowego z płynnie zmienianym progiem. 05_SiEWA_BCUPL.doc 1

2 Rys. 2. Zasada działania ultradźwiękowego czujnika zbliżeniowego z dwoma płynnie regulowanymi progami. Rys. 3. Zasada działania ultradźwiękowego czujnika położenia liniowego. Czujniki ultradźwiękowe umożliwiają pomiar odległości do materiałów stałych, sypkich i ciekłych, niezależnie od ich barwy, faktury i własności magnetycznych. Są wykorzystywane w sytuacjach wymagających dużej dokładności pomiaru oraz szerokiego zakresu jej zmian. Ich zaletą w stosunku do innych czujników jest także mała wrażliwość na takie parametry środowiska jak wilgotność, zakurzenie itp. 2. Zestaw aparatury Prezentowane w ćwiczeniu stanowisko pomiarowe oparte jest na zestawie do pomiaru odległości wykorzystującym ultradźwiękowy czujnik odległości typu BUS produkcji firmy Balluff. Zastosowany czujnik jest nadajnikiem i odbiornikiem fali ultradźwiękowej o częstotliwości 130kHz. Posiada dwa wyjścia. Jedno analogowe - źródło napięciowe o wydajności proporcjonalnej do opóźnienia echa i drugie dwustanowe, którego próg zadziałania można zmieniać w zakresie czułości czujnika. Zasadę pomiaru i rozmieszczenie elementów obsługi przedstawiają rys. 4 i 5. 05_SiEWA_BCUPL.doc 2

3 Przeszkoda Czujnik L Rys. 4. Zasada pomiaru Rys. 5. Elementy obsługi: 1) czujnik, 2) zespół zasilania i wskaźnika, 3) wyświetlacz, 4) włącznik zasilania, 5) kontrolka zasilania, 6) kontrolka przekroczenia progu, 7) regulacja odległości progowej, 8) wtyk zasilania 220 V. Zakres pracy czujnika zawiera się w granicach mm. Dla pomiaru z tego zakresu wartość wyjściowego napięcia na wyjściu analogowym zawiera się w granicach 1-10V. Na wyjściu analogowym przyłączony jest (wewnątrz zespołu zasilania i wskaźnika) woltomierz cyfrowy z odpowiednio dobranym dzielnikiem napięcia (rys. 6). E=1-10V Czujnik 99k 1k V Rys. 6. Układ pomiarowy wykorzystujący wyjście analogowe czujnika. 05_SiEWA_BCUPL.doc 3

4 Wyjście dwustanowe może służyć do sterowania zewnętrznego układu automatyki. Punkt zadziałania tego wyjścia regulowany jest w całym zakresie działania czujnika, co przedstawia rys. 7. E=1-10V U =10V 2 Komparator z przerzutnikiem Zewnętrzny obwód sterujący U =1V 1 P E - regulowane źródło napięcia U, U - graniczne wartości napięcia odniesienia 1 2 P - potencjometr regulujący próg zadziałania Rys. 7. Schemat blokowy układu dwustanowego wyjścia czujnika. Schemat ideowy połączeń elektrycznych czujnika pokazany jest na rys. 8. Rys. 8. Schemat ideowy połączeń elektrycznych. Zapoznając się z pracą czujnika warto zwrócić uwagę na precyzję (rozdzielczość) dokonywanych pomiarów oraz na wpływ rodzaju materiału z jakiego jest wykonany przedmiot na mierzoną odległość. W pracy czujnika ważne są zarówno zakłócenia wpływające na propagację fali ultradźwiękowej (odbicia, wpływ innych nadajników) jak i zakłócenia pracy układu elektronicznego i sterującego (np. indukowane w przewodach połączeniowych). Analizując schemat połączeń elektrycznych (rys. 8.) można zauważyć elementy odpowiedzialne za tłumienie tych zakłóceń. 05_SiEWA_BCUPL.doc 4

5 3. Zadania 3.1. Zapoznać się ze stanowiskiem pomiarowym Podłączyć oscyloskop do wyjścia sygnałowego czujnika niebieskiego kabla do pomiaru napięcia (z układu czujnika wyprowadzono cztery przewody: biały masa, czerwony podgląd napięcia zasilania, niebieski pomiar napięcia, czerwony sygnał progu żółta dioda) i ustawić nastawy oscyloskopu tak by uzyskać stabilny obraz sygnału w postaci cyklicznie pojawiających się krótkich impulsów. Proponuje się nastawy: wejście AC, czułość 20mV/div. Wyznaczyć, za pomocą markerów, częstotliwość impulsowania czujnika. Obraz na oscyloskopie zarchiwizować w komputerze Odłączyć od czujnika oscyloskop i w jego miejsce podłączyć woltomierz napięcia stałego (miernik uniwersalny) Dokonać pomiarów odległości za pomocą czujnika i przymiaru oraz napięcia na woltomierzu w zakresie od 5cm do 1.5m co 5cm wyniki zestawić w tabeli. Wyznaczyć rozdzielczość czujnika 3.5. Ustawić przed czujnikiem przetwornik piezoelektryczny - podłączyć go do drugiego kanału oscyloskopu. Oscyloskop powinien być synchronizowany sygnałem w kanale Rozciągnąć podstawę czasu tak by widoczna była nośna. Wyznaczyć częstotliwość nośnej i czas trwania impulsu nadawanego. Zarchiwizować obraz z oscyloskopu. 4. Opracowanie 4.1. Wykreślić wyniki pomiaru z p.3.4 Wyznaczyć strefę martwą czujnika Wyznaczyć maksymalny możliwy zasięg czujnika zasięg ten wynika z częstotliwości impulsowania. Zakłada się, iż czas dojścia sygnały odbitego nie może przekroczyć okresu impulsowania czujnika Zamieścić i opisać uzyskane oscylogramy Zastanowić się nad wykorzystaniem tego rodzaju czujnika i krótko przedyskutować jedno z proponowanych rozwiązań. 05_SiEWA_BCUPL.doc 5