SCHEMAT SYSTEMU MECHATRONICZNEGO

Transkrypt

1 SCHEMAT SYSTEMU MECHATRONICZNEGO WEJŚCIE UKŁAD MECHANICZNY WYJŚCIE NASTAWNIKI CZUJNIKI procesor(y)

2 Czujnik to urządzenie, dostarczające informacji o pojawieniu się określonego bodźca, przekroczeniu pewnej wartości progowej lub o wartości rejestrowanej wielkości fizycznej. W tym ujęciu układ czujnika składa się z: czujnika, przetwornika Czujniki (sensory) często układu kondycjonowania sygnału i telemetrycznego. Czujnik (sensor) jest jednostką funkcjonalną systemu mechatronicznego umożliwiającą przetworzenie wielkości nieelektrycznej (temperatury, położenia, siły) na proporcjonalną wielkość elektryczną.

3 Klasyfikacja czujników CZUJNIKI AKTYWACJA AKTYWNE PASYWNE DETEKCJA KONTAKTOWE BEZKONTAKTOWE ODCZYT WIELKOŚCI ABSOLUTNE WZGLĘDNE FOTOELEKTRYCZNE ZASADA DZIAŁANIA ELEKTROCHEMICZNE INNE POLE MAGNETYCZNE MIERZONA WIELOŚĆ ZWIĄZKI CHEMICZNE INNE NAUKA ZASTOSOWANIE TRANSPORT INNE

4 CZUJNIKI AKTYWACJA AKTYWNE PASYWNE DETEKCJA KONTAKTOWE BEZKONTAKTOWE ODCZYT WIELKOŚCI ABSOLUTNE WZGLĘDNE FOTOELEKTRYCZNE ZASADA DZIAŁANIA ELEKTROCHEMICZNE INNE POLE MAGNETYCZNE MIERZONA WIELOŚĆ ZWIĄZKI CHEMICZNE INNE NAUKA ZASTOSOWANIE TRANSPORT INNE

5 Klasyfikacja czujników ze względu na aktywację (źródło energii sygnału pomiarowego): pasywne - energia potrzebna do wytworzenia sygnału wyjściowego jest czerpana ze zjawiska fizycznego (pomiar temperatury termometrem rtęciowym) aktywne - wymagają zewnętrznego źródła energii do wytworzenia sygnału wyjściowego (pomiar naprężenia z wykorzystaniem tensometru)

6 Czujnik pasywny zjawisko piezoelektryczne

7 CZUJNIKI AKTYWACJA AKTYWNE PASYWNE DETEKCJA KONTAKTOWE BEZKONTAKTOWE ODCZYT WIELKOŚCI ABSOLUTNE WZGLĘDNE FOTOELEKTRYCZNE ZASADA DZIAŁANIA ELEKTROCHEMICZNE INNE POLE MAGNETYCZNE MIERZONA WIELOŚĆ ZWIĄZKI CHEMICZNE INNE NAUKA ZASTOSOWANIE TRANSPORT INNE

8 Czujnik kontaktowy wymaga fizycznego kontaktu z bodźcem (większość czujników temperatury). Czujnik bezkontaktowy nie wymaga żadnego fizycznego kontaktu (większość optycznych i magnetycznych czujników).

9 CZUJNIKI AKTYWACJA AKTYWNE PASYWNE DETEKCJA KONTAKTOWE BEZKONTAKTOWE ODCZYT WIELKOŚCI ABSOLUTNE WZGLĘDNE FOTOELEKTRYCZNE ZASADA DZIAŁANIA ELEKTROCHEMICZNE INNE POLE MAGNETYCZNE MIERZONA WIELOŚĆ ZWIĄZKI CHEMICZNE INNE NAUKA ZASTOSOWANIE TRANSPORT INNE

10 Czujnik absolutny reaguje na bodziec o absolutnej skali, np. termistor, który zawsze odczyta temperaturę absolutną. Czujnik względny wykrywa bodziec w stosunku do ustalonej lub zmiennej wartości odniesienia, np. który termopara która mierzy różnicę temperatur. Termistor to opornik półprzewodnikowy, którego rezystancja (opór) zależy od temperatury. Termopara (termoogniwo, termoelement, ogniwo termoelektryczne) - czujnik temperatury wykorzystujący zjawisko Seebecka.

11 Klasyfikacja czujników CZUJNIKI AKTYWACJA MECHANICZNE POTENCJOMETRYCZNE DETEKCJA POJEMNOŚCIOWE INDUKCYJNE ULTRADŹWIĘKOWE ODCZYT WIELKOŚCI TENSOMETRYCZNE PIEZOELEKTRYCZNE PIEZOREZYSTYWNE ZASADA DZIAŁANIA ŚWIATŁOWODOWE FOTOELEKTRYCZNE ELEKTROCHEMICZNE MIERZONA WIELKOŚĆ TERMOELEKTYCZNE TERMOOPTYCZNE TERMOMAGNETYCZNE ZASTOSOWANIE ELKTROSTRYKTYWNE INNE

12 off on Czujniki mechaniczne

13 sprzęgło przeciążeniowe wyłącznik krańcowy wyłącznik krańcowy Sprzęgło zazębione (włączone) Sprzęgło wyzębione (rozłączone) on off

14 Bimetal - trwale połączone na całej powierzchni styku elementy z dwóch różnych pod względem właściwości fizykochemicznych metali lub stopów. metal A metal B

15 Manometry sprężynowe rurkowe, zwane też ciśnieniomierzami ze sprężyną rurkową składają się z wygiętej w łuk lub wielu zwojów rurki, zwanej od nazwiska konstruktora Eugène Bourdona rurką Bourdona.

16 Czujniki potencjometryczne Potencjometr to opornik z możliwością zmiany rezystancji (oporu).

17

18 Potencjometry

19 Czujniki pojemnościowe Pojemność kondensatora zależy od materiału przez który przenika pole elektryczne. Czujnik pojemnościowy wykrywa zbliżenie do jakiegokolwiek materiału o stałej dielektrycznej różnej od stałej powietrza. If ε r >1 then C

20 Schemat pojemnościowego czujnika przyśpieszenia (akcelerometr, grawimetr)

21 Czujniki indukcyjne Czujnik indukcyjny wykorzystuje zjawisko zmiany natężenia pola magnetycznego wewnątrz uzwojenia spowodowane zmianą położenia rdzenia ferrytowego. Generator Detektor

22 Czujnik indukcyjny LVDT/RVDT (Linear/Rotational Voltage Differential Transformer) różnicowy przetwornik przemieszczeń liniowych/kątowych przemieszczenie Napięcie wyjściowe położenie

23 Czujnik indukcyjny - resolwer Napięcie wyjściowe

24 Czujnik wykorzystujący efekt Halla, który polega na tym, że w półprzewodniku w którym płynie prąd i umieszczonym w polu magnetycznym o indukcji skierowanym prostopadle do tego prądu, pojawia się siła elektromotoryczna prostopadła zarówno do prądu, jak i do pola magnetycznego. napięcie Halla pole magnetyczne pole elektryczne półprzewodnik przyłożone napięcie

25 Czujniki ultradźwi więkowe Ultradźwięki to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za górną granicę słyszalnych częstotliwości uważa się wartość około 16 lub nawet (u ludzi bardzo młodych) 20 khz, choć dla wielu osób granica ta jest znacznie niższa. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb, chomik czy nietoperz.

26 Metody wytwarzania ultradźwięków mechaniczne -układy drgające (struny, płytki sprężyste, piszczałki), wykorzystujące drgania samego tworzywa albo przepływ gazów czy cieczy, termiczne - poprzez wyładowania elektryczne w płynach i gazach, poprzez ciągle lub impulsowe podnoszenie temperatury przewodników prądu, magnetostrykcja - zmiana długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid nawinięty na ten rdzeń, odwrócenie efektu piezoelektrycznego - polega na doprowadzeniu do przeciwległych płaszczyzn kryształu kwarcu lub innego minerału szybko zmiennego napięcia elektrycznego. Prowadzi to do rozszerzenia lub skurczenia płytki i do powstania drgań o odpowiedniej częstotliwości. optyczne - laserem można wytworzyć fale sprężyste w szerokim zakresie częstotliwości ultradźwiękowych aż do zakresu hiperdźwiękowego.

27 Czujnik ultradźwiękowy mierzy czas rozchodzenia się fali ultradźwiękowej od źródła fali do odbiornika przy założeniu stałej prędkości rozchodzenia się fali w ośrodku. Czas rozchodzenia się fali jest wprost proporcjonalny do odległości między źródłem fali a odbiornikiem.

28 Czujniki ultradźwiękowe wykorzystujące zjawisko magnetostrykcji Zmiana długości rdzenia magnesu pod wpływem zmiennego prądu przepuszczanego przez solenoid. Drgania ultradźwiękowe są wytwarzane zazwyczaj w zakresie niskich częstotliwości. generator Deformacja ferromagnetyka pod wpływem pola magnetycznego

29 Czujniki ultradźwiękowe wykorzystujące zjawisko piezoelektryczności Drgania ultradźwiękowe są wytwarzane zazwyczaj w zakresie wysokich częstotliwości.

30 Czujniki ultradźwiękowe wykorzystujące zjawisko Dopplera Efekt Dopplera zjawisko obserwowane dla fal, polegające na powstawaniu różnicy częstotliwości, a tym samym i długości fali, wysyłanej przez źródło fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza się względem źródła fali.

31 Czujnik wykorzystuje zjawisko Dopplera polegające na zmianie częstości fali wywołanej względnym ruchem źródła fali i odbiornika lub też przemieszczaniem się ośrodka między źródłem a odbiornikiem.

32 Czujniki tensometryczne Czujniki tensometryczne wykorzystują zjawisko zmiany rezystancji drutu pod wpływem zewnętrznego naprężenia. Pracują w granicach odkształceń sprężystych. P

33 2 R 1 R Vs R 2 3 R3 V o

34

35 klejenie tensometru Wierzchnia warstwa ochrona Druty czujnika podkładka klej Materiał napręż ężany

36 tensomety z uzwojeniem kompensacyjnym R R k R k R

37 tensometry foliowe

38 rozety tensometryczne

39 rezystancyjne tensometry foliowe

40 Czujniki piezoelektryczne Podstawą fizyczną jest zjawisko piezoelektryczne wykorzystujące polaryzację niektórych dielektryków krystalicznych lub polikrystalicznych poddanych naprężeniom mechanicznym.

41

42 Czujniki piezoelektryczne wykorzystują efekt piezoelektryczny polegający na pojawieniu się napięcia na brzegach kryształu pod wpływem jego odkształcania. Płytki piezoelektryczne F Przeniesienie siły membrana Elektroda wyjściowa obejma

43 Czujniki piezorezystywne Wykorzystują efekt piezooporu polegający na zmianie przewodnictwa elektrycznego pod wpływem naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi powodującymi odkształcenia. Efekt piezorezystywny różni się od efektu piezoelektrycznego tym, że występuje jedynie zmiana rezystancji, nie powstaje żadna siła elektromotoryczna (SEM).

44 Czujniki optyczne Czujniki optyczne są urządzeniami, których działanie opiera się na zasadzie wysyłania wiązki promieni świetlnych przez nadajnik i ich odbieraniu przez odbiornik. Czujniki optyczne reagują na obiekty, które znajdują się na drodze przebiegu wiązki światła.

45 Rodzaje czujników optycznych: optyczny odbiciowy, odbiciowy z eliminacją wpływu tła, refleksyjny (retro-reflective sensor), optyczne typu bariera (through-beam sensor).

46 czujniki światłowodowe Światłowód to struktura prowadząca fale elektromagnetyczne o częstotliwościach optycznych. Światłowody są wykorzystywane jako elementy urządzeń optoelektronicznych, składniki optycznych układów zintegrowanych lub do transmisji sygnałów na duże odległości, jak również do celów oświetleniowych.

47 płaszcz rdzeń pokrycie

48

49 W czujnikach światłowodowych, światło (laser) po odchyleniu przechodzi przez światłowód i jeśli końcówka znajduje się w powietrzu, całe światło ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i wraca do detektora. Gdy pojawi się jakieś medium, zmienia się kąt graniczny całkowitego wewnętrznego odbicia i do detektora wraca tylko cześć światła. Źródło światła obszar światłowód detekcji Jednostka badana

50 Czujniki fotoelektryczne Fotorezystor jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja zwykłego rezystora. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu. Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych Wadą fotorezystora jest wrażliwość temperaturowa.

51 Fotodioda jest zbudowana podobnie jak zwykła dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego obszarów złącza. Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu. Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia oświetlenia.

52 Fototranzystor jest elementem półprzewodnikowym, działajacym tak samo jak tranzystor z tą różnicą, że prąd kolektora nie zależy od prądu bazy, lecz od natężenia promieniowania oświetlającego obszar bazy. Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody, ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu wzmocnieniu.

53 Fotokomórka to urządzenie, którego zasadniczą częścią jest fotoelement (fotorezystor, fotodioda, fototranzystor). Prąd płynący przez fotokomórkę zależy od ilości promieniowania elektromagnetycznego (np. światła) padającego na fotokatodę.

54 Pierwsza fotokomórka została zastosowana jako czujnik w mechanizmie automatycznego otwierania drzwi w 1931 roku. Użyto jej w restauracji w USA, a dokładnie zamontowana była w drzwiach obrotowych pomiędzy kuchnią, a salą jadalną. Nazywana była magiczne oko".

55 Czujniki elektrochemiczne Ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego czujniki chemiczne dzielimy na: potencjometryczne (pomiar napięcia) amperometryczne (pomiar prądu) konduktometryczne (pomiar przewodnictwa)

56 Półprzewodnikowe przetworniki stężeń substancji chemicznych CSSD (ang. Chemically Sensitive Semiconductor Devices). Czujniki te są pomostem pomiędzy układami elektronicznymi a układami chemicznymi, a w szczególności układami elektrochemicznymi. Możliwość przetwarzania w tych urządzeniach wielkości chemicznych na sygnał elektryczny prądowy bądź napięciowy pozwala na późniejszą łatwą obróbkę tego sygnału i w efekcie na otrzymanie wielkości wyjściowej w dowolnej postaci analogowej bądź cyfrowej.

57 Najbardziej rozpowszechnioną odmianą czujników CSSD są jonoczułe tranzystory polowe ISFET (ang. Ion Sensitive Field Effect Transistor). Czujniki te łączą w sobie cechy klasycznych czujników elektrochemicznych (np. znanych od dawna szklanych elektrod jonoselektywnych) z cechami tranzystorów polowych FET.

58 Czujniki termoelektryczne Czujniki termoelektryczne są to przyrządy reagujące na zmianę temperatury zmianą siły termodynamicznej wbudowanego w nie termoelementu.

59 Termopara Termopara składa się z pary (dwóch) różnych metali zwykle w postaci przewodów, spojonych na dwóch końcach. Termopara Jedno złącze umieszczane jest w miejscu pomiaru, podczas gdy drugie utrzymywane jest w stałej temperaturze odniesienia. Pod wpływem różnicy temperatury między miejscami złączy (pomiarowego i "odniesienia") powstaje różnica potencjałów (siła elektromotoryczna), zwana w tym przypadku siłą termoelektryczną, proporcjonalna do różnicy tych temperatur. T 1 T 2 + V -

60 Termistor Termistor jest elementem półprzewodnikowym którego rezystancja zależy od temperatury. Zmiana wartości rezystancji może nastąpić na skutek wzrostu temperatury otoczenia termistora lub wydzielanego w nim ciepła.

61 Termorezystor Termorezystor metalowy stanowi uzwojenie wykonane z metalu (niklu, platyny,miedzi) nawinięte na kształtkę z materiału izolacyjnego. Działanie jego polega na zmianie rezystancji przewodnika pod wpływem zmiany temperatury. Powstałe w ten sposób zmiany rezystancji są mierzone i stanowią miarę temperatury.

62 Klasyfikacja czujników CZUJNIKI AKTYWACJA DETEKCJA ODCZYT WIELKOŚCI ZASADA DZIAŁANIA czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych czujniki do pomiaru wielkości cieplnych MIERZONA WIELKOŚĆ czujniki do pomiaru wielkości chemicznych ZASTOSOWANIE INNE

63 Klasyfikacja czujników CZUJNIKI AKTYWACJA DETEKCJA ODCZYT WIELKOŚCI ZASADA DZIAŁANIA czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych czujniki do pomiaru wielkości cieplnych MIERZONA WIELKOŚĆ czujniki do pomiaru wielkości chemicznych ZASTOSOWANIE INNE

64 Czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych

65 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

66 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

67 Czujniki siły W przetwarzaniu siły na sygnał elektryczny wykorzystuje się: element odkształcany: zmiana rezystancji, zmiana indukcyjności, zmiana pojemności, bezpośrednio zjawisko: magnetospręzyste, piezoelektryczne.

68 zmiana rezystancji Odkształcenie elementu sprężystego mierzy się czujnikiem naprężenia mechanicznego - tensometrem rezystancyjnym (oporowym). P

69 sprężyste elementy odkształcane czujników siły F F F

70 czujniki tensometryczne do pomiaru siły

71 zmiana indukcyjności Element sprężysty jest tak zaprojektowany, aby mierzona siła wywoływała jak największe przemieszczenie pomiędzy określonymi jego punktami. Generator Detektor

72 Czujnik składa się z cewki z rdzeniem ferromagnetycznym 1, zwory 2, oraz ze stalowej obudowy sprężynującej z pierścieniowymi żeberkami 3. Wykorzystano w nim zjawisko dużych zmian indukcyjności cewki i rdzenia przy niewielkich zmianach szczeliny s na skutek nacisku na zworę magnetyczną 2.

73 zmiana pojemności Element sprężysty jest tak zaprojektowany, aby mierzona siła wywoływała jak największą zmianę pojemności połączonego z nim kondensatora.

74 Wartość siły powoduje odkształcenie elementu sprężystego wpływając na zmianę pojemności c kondensatora.

75 zjawisko piezoelektryczne Podstawą fizyczną jest zjawisko piezoelektryczne wykorzystujące polaryzację niektórych dielektryków krystalicznych lub polikrystalicznych poddanych naprężeniom mechanicznym. Siła F kryształ Elektrometr

76 O podstawowych właściwościach czujnika piezoelektrycznego decyduje materiał piezoelektryczny. Po przekroczeniu temperatury Curie materiał traci właściwości piezoelektryczne. Po usunięciu naprężeń materiał powraca do stanu pierwotnego.

77 zjawisko magnetosprężyste Właściwości magnetyczne materiałów ferromagnetycznych zależą od budowy jego elementarnych siatek krystalicznych, ich orientacji względem zewnętrznego pola magnetycznego oraz względem kierunku działania naprężeń mechanicznych. Ponadto zależą one od stopnia i rodzaju deformacji elementarnych kryształów materiału.

78

79 Czujnik składa się z pakietu blach (1) transformatorowych z symetrycznie wykonanymi czterema otworami, w których umieszczone są dwa uzwojenia, skrzyżowane wzajemnie pod kątem prostym. Uzwojenie pierwotne (2) zasilane jest prądem zmiennym. Jeżeli na czujnik działa siła ściskająca F, to na skutek sprężystego odkształcenia pakietu zmienia się przenikalność magnetyczna (zmniejsza się w kierunku działania siły, a zwiększa w kierunku poprzecznym), przez co w uzwojeniu wtórnym (3) zaindukuje się napięcie proporcjonalne do działającej siły.

80 Siłowe czujniki taktylne Matryca oporowa stanowi dwie prostopadłe płaszczyzny równoległych elektrod oddzielonych od siebie piezorezystancyjnym materiałem.

81 Rozróżnia się: magnetyczno-rezystancyjny sensor taktylny sensor taktylny z warstwą piezoelektryczną sensor taktylny pojemnościowy inne

82 POJEMNOŚCIOWY CZUJNIK DOTYKOWY A A ELEKTRODY MEMBRANA Si PODŁOŻE SZKLANE

83 Sensory taktylne stosuje się w chwytakach robotów do zbierania informacji o manipulowanym obiekcie.

84 Czujniki przyspieszenia (akcelerometry, grawimetry) ma = kx b dx dt

85 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

86 Czujniki przyspieszenia W przetwarzaniu przyspieszenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się zjawiska: zmiany pojemności kondensatora indukcyjne oparte na efekcie Halla piezoelektryczne piezorezystywne termiczne magnetorezystywne optyczne inne

87 czujnik przyspieszenia pojemnościowy

88 czujnik przyspieszenia indukcyjny

89 czujnik przyspieszenia oparty na efekcie Halla

90 czujnik przyspieszenia piezoelektryczny

91 czujnik przyspieszenia piezorezystywny

92 czujnik przyspieszenia termiczny

93 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta k obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

94 Czujniki kąta k obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: potencjometry ze stykiem ślizgowym enkodery resolwery

95 Czujniki kąta obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne (potencjometry ze stykiem ślizgowym), indukcyjne (resolwery), czujniki cyfrowe: absolutne, inkrementalne.

96 Czujniki kąta obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne (potencjometry ze stykiem ślizgowym), indukcyjne (resolwery), czujniki cyfrowe: absolutne, inkrementalne.

97 potencjometry ze stykiem ślizgowym Napięcie między stykiem ruchomym a nieruchomym jest proporcjonalne do położenia kątowego ramienia ze stykiem ruchomym. α

98 Podstawowe zastosowania to: odczyt położenia w mechanizmie serwa siłomierze dźwigniowe uchylne pozycjonowanie krzywek i przepustnic regulatory walcarek wahadłowych pomiary goniometryczne w przegubach.

99 Czujniki kąta obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne (potencjometry ze stykiem ślizgowym), indukcyjne (resolwery), czujniki cyfrowe: absolutne, inkrementalne.

100 resolwery Resolver, podobny do małego silnika elektrycznego jest urządzeniem służące do pomiaru kąta. Stojan ma dwa uzwojenia ustawione pod kątem prostym, a wirnik jedno uzwojenie, z którego odczytywany jest sygnał.

101 Czujniki kąta obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne (potencjometry ze stykiem ślizgowym), indukcyjne (resolwery), czujniki cyfrowe (enkodery): absolutne, inkrementalne.

102 enkodery Działają na zasadzie obracającej się tarczy z wycięciami, które blokują lub przepuszczają światło generowane, np. przez diody LED. Odbiorniki światła np. fototranzystory generują sygnały poddawane dalszej obróbce.

103 enkoder absolutny czujnik fotoelektryczny 2 ścieżki 4 części n scieżek 2 n częsci n barier optycznych

104 enkoder absolutny Enkoder absolutny - impulsator, który przyporządkowuje odpowiednim wartościom kąta, kodowane wartości liczbowe. Na wałku napędowym enkodera znajduje się tarcza kodowa, która zawiera w formie kodu wartości liczbowe odpowiadające przesunięciom kątowym. Pozwala to na zadawanie wartości absolutnych w dowolnym momencie, bez konieczności porównywania z punktem odniesienia. Enkoder absolutny pozwala określić dokładną informację o pozycji po ponownym uruchomieniu, gdy zanikło napięcie zasilania systemu lub enkodera.

105

106 Czujniki kąta obrotu W przetwarzaniu kąta obrotu na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne (potencjometry ze stykiem ślizgowym), indukcyjne (resolwery), czujniki cyfrowe (enkodery): absolutne, inkrementalne.

107 enkoder Inkrementalny Enkoder inkrementalny - impulsator, który zlicza impulsy (przyrosty kątowe) odpowiadające ruchowi obrotowemu. Charakterystyczną cechą tych urządzeń jest stała, niezmienna ilość impulsów na wyjściu np (maksymalnie imp./obrót), odpowiadająca rozdzielczości systemu pomiarowego. Do kontroli kierunku (prawo-lewo), drugi w kolejności sygnał jest przesunięty fazowo o 90. Licznik zewnętrznego systemu kontroli, może być ponownie ustawiany dodatkowym zerowym impulsem.

108 enkoder Inkrementalny A B R 1 znak = 4 części

109 0 1 P Q 200 x 4 = 800 P Q

110

111 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

112 Czujniki przemieszczenia W przetwarzaniu przemieszczenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne, indukcyjne, LVDT (Linear Voltage Differential Transform), magnetorezystywne, czujniki cyfrowe: optyczne.

113 Czujniki przemieszczenia W przetwarzaniu przemieszczenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne, indukcyjne, LVDT, magnetorezystywne, czujniki cyfrowe: optyczne.

114 potencjometr liniowy R

115 Czujniki przemieszczenia W przetwarzaniu przemieszczenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne, indukcyjne, LVDT, magnetorezystywne, czujniki cyfrowe: optyczne.

116 indukcyjny czujnik przemieszczenia 0,2 mm

117 Czujniki przemieszczenia W przetwarzaniu przemieszczenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne, indukcyjne, LVDT (Linear Voltage Differential Transform), magnetorezystywne, czujniki cyfrowe: optyczne.

118 czujnik LVDT LVDT = Linear Voltage Differential Transform) przemieszczenie linowe uzwojenia

119 v V 1 V 2 przemieszczenie linowe V 1 V 2 V 1 - V 2

120

121 Czujniki przemieszczenia W przetwarzaniu przemieszczenia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: czujniki analogowe: rezystancyjne, indukcyjne, LVDT (Linear Voltage Differential Transformed), magnetorezystywne, czujniki cyfrowe: optyczne.

122 czujnik magnetorezystywny

123 inkrementalny czytnik absolutny

124 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

125 Czujniki odległości (zbliżenia) W przetwarzaniu odległości na sygnał elektryczny wykorzystuje się czujniki: indukcyjnościowe pojemnościowe ultradźwiękowe fotoelektryczne

126 czujniki indukcyjnościowe zasada pracy Generator wytwarza pole elektromagnetyczne o częstotliwości radiowej. Obecność metalu w polu jest wykrywana jako zmiana obciążenia generatora. Odpowiednie nastawienie progu wyzwalania (trigger) pozwala na sygnalizację zbliżenia czujnika do obiektu na nastawiona odległość.

127 czujniki pojemnościowe zasada działania Pojemność kondensatora zależy od materiału przez który przenika pole elektryczne. Czujnik wykrywa zbliżenie do jakiegokolwiek materiału o stałej dielektrycznej różnej od stałej powietrza.

128 czujniki ultradźwiękowe zasada działania Wysyłana jest krótka paczka sygnału ultradźwiękowego i odbiera się sygnał odbity od obiektu. Okres czasu pomiędzy wysłaniem a odbiorem sygnału jest miarą odległości od obiektu. Może być też użyty do wykrywania obecności obiektu

129 różne konfiguracje zastosowań czujników ultradźwiękowych

130 czujniki fotoelektryczne zasada działania Nie mierzy odległości a jedynie stwierdza obecność obiektu. Nadajnik i odbiornik promieniowania widzialnego lub podczerwonego umieszczone sa w tej samej obudowie. Odbiornik odbiera impulsy świetlne nadane przez diodę LED (light emitting diode) i odbite od obiektu wykrywanego. Istnieją czujniki wykrywające wyłącznie obiekty pojawiające się w określonej strefie.

131 laserowy odległościomierz triangulacyjny

132

133 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędko dkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

134 Czujniki prędko dkości liniowej W przetwarzaniu prędkości liniowej na sygnał elektryczny najczęściej wykorzystuje się: indukcyjnościowe czujniki różnicowe, czujniki pojemnościowe czujniki indukcyjne (wiroprądowe)

135 indukcyjnościowe czujniki różnicowe

136 Czujnik indukcyjnościowy różnicowy w układzie detektora fazowego; 1 obudowa ferromagnetyczna, 2 uzwojenie zasilające, 3 i 3 uzwojenia różnicowe, 4 rdzeń ferromagnetyczny, 5 trzpień pomiarowy, 6 sprężyna zwrotna, 7 łożysko toczne.

137 czujniki pojemnościowe Czujnik pojemnościowy w układzie uniwibratora; 1 obudowa metalowa, 2 elektroda stała, 3 elektroda ruchoma, 4 dielektryk stały, 5 trzpień pomiarowy, 6 sprężyna zwrotna, 7 łożysko toczne.

138 czujniki indukcyjne (wiroprądowe) Zasadniczymi elementami czujnika jest cewka 1 zasilana prądem sinusoidalnym I1 z generatora GS oraz mocowana do badanego obiektu płytka 2 wykonana z metalu (zwykle z ferromagnetyka ). W zależności od odległości płytki od cewki (przemieszczenia) zmienia się indukcyjność cewki L1 oraz prąd zasilania I1.

139 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędko dkości kątowej k czujniki ciśnienia

140 Czujniki prędko dkości obrotowej Rozróżnia się czujniki: analogowe: prądnice prądu stałego, prądnice prądu przemiennego inne cyfrowe.

141 Metody analogowe polegają na wykorzystaniu do pomiaru prędkości obrotowej przetworników ruchu obrotowego, których sygnał wyjściowy (zwykle napięcie) jest ciągłą funkcją mierzonej prędkości. Zjawiskiem wykorzystywanym w przetwornikach jest indukcja elektromagnetyczna. Φ S N N S S N α n

142 W metodach cyfrowych przetwarza się ruch obrotowy na ciąg impulsów, których liczba jest zależna od mierzonej prędkości. Wyróżnikiem metod cyfrowych jest dyskretny charakter wielkości wyjściowej sensora prędkości np. ciąg impulsów.

143 Klasyfikacja czujników do pomiaru wielkości mechanicznych ze względu na mierzoną wielkość: czujniki siły czujniki przyspieszenia czujniki kąta obrotu czujniki przemieszczenia liniowego czujniki odległości (zbliżenia) czujniki prędkości liniowej czujniki prędkości kątowej czujniki ciśnienia

144 Czujniki do pomiaru ciśnie nień W przetwarzaniu ciśnienia na sygnał elektryczny wykorzystuje się: element odkształcany w postaci: rurki, membrany, puszki, mieszki, zjawisko fizyczne: zmiany indukcji, zmiany rezystancji elektrycznej (tensometria), zmiany pojemności, piezoelektryczne.

145 elementy odkształcalne rurkowe jednorodna z wewnętrznym trzpieniem asymetryczna bourdona

146

147 elementy odkształcane - membrany cienka gruba falista

148 elementy odkształcane -puszkowe pojedyncze wielokrotne

149

150 elementy odkształcalne mieszkowe

151 Indukcyjnościowe czujniki ciśnień

152 Tensometryczny czujnik ciśnienia - z mechanicznym elementem przeniesienia siły p

153 Tensometryczny czujnik ciśnień rurowy p

154 Tensometryczne czujniki ciśnień z membraną p

155 Pojemnościowe czujniki ciśnień Okł.nieruchoma Okł.. ruchoma Obudowa

156 piezorezystwny czujnik ciśnienia typu MEMS Piezorezystywne elementy SiO 2 p + Si <100> Si podwarstwa

157

158 CZUJNIKI DO POMIARU WIELKOŚCI CIEPLNYCH

159 Klasyfikacja czujników CZUJNIKI AKTYWACJA DETEKCJA ODCZYT WIELKOŚCI ZASADA DZIAŁANIA czujniki do pomiaru wielkości mechanicznych czujniki do pomiaru wielkości cieplnych MIERZONA WIELKOŚĆ czujniki do pomiaru wielkości chemicznych ZASTOSOWANIE INNE

160 czujniki termiczne

161 Istota działania ania czujnika termicznego Działanie czujnika można podzielić na trzy związane ze sobą fazy: zamiana energii dostarczanej do czujnika na strumień ciepła w strukturze odczytanie różnicy temperatur wywołanej przez strumień cieplny zamiana różnicy temperatur na sygnał elektryczny przy pomocy przetworników termoelektrycznych

162 Zasady pomiaru temperatury: rozszerzalność cieplna ciał stałych, cieczy lub gazów zmiana właściwości elektrycznych ciał pomiar energii promieniowania

163 CZUJNIKI TEMPERATURY rezystancyjne termoelektryczne metalowe RTD SPRT półprzewodnikowe termistory monokryształy jonowe kontaktowe ultradzwiękowe piezoelektryczne inne

164 CZUJNIKI TEMPERATURY rezystancyjne termoelektryczne metalowe RTD SPRT półprzewodnikowe termistory monokryształy jonowe kontaktowe ultradzwiękowe piezoelektryczne inne

165 termometry rezystancyjne metalowe Zasada działania termometrów rezystancyjnych polega na wykorzystaniu zjawiska zmiany rezystancji metali wraz z temperatur. Dokonuje się to poprzez zastosowanie rezystora termometrycznego, którego głównym elementem jest metalowe uzwojenie rezystancyjne, zmieniające swą rezystancję w funkcji temperatury mierzonej.

166 współczynnik temperaturowy rezystancji α Względny przyrost rezystancji przy zmianie temperatury o 1K (lub o 1 C) w zakresie 0 C C do 100 C α = 1 Δ R 1 R R = R Δ t R np. dla platyny europa α =0,385 USA α=0,392

167 termometry rezystancyjne metalowe

168 Termometry rezystancyjne metalowe Przetworniki programowalne Przetworniki głowicoweg

169 CZUJNIKI TEMPERATURY rezystancyjne termoelektryczne metalowe RTD SPRT półprzewodnikowe termistory monokryształy jonowe kontaktowe ultradzwiękowe piezoelektryczne inne

170 współczynnik temperaturowy rezystancji NTC termistorów α R R25 25 t R = R B e T = R e 0 25 B B T 298 α = - B/T 2 B - Stała materiałowa, 2000 do 4000 K

171 Właściwości termometrów w półprzewodnikowychp przewodnikowych temistory (NTC) Wartość rezystancji maleje ze wzrostem temperatury są 5 do 50 razy czulsze od termometrów metalowych

172 Termometry KTY Obszary domieszkowane typu n Styki poli -Si o średnicy ok. 20 μm ok. 0.5 mm Izolacja SiO 2 Krzem Metalizacja strony spodniej ρ - rezystywno rezystywność, ρ =ok. 7 Ω cm D - średnica styku R = ρ π D

173 Termometria termoelektryczna Zasada działania ania: Powstawanie siły y termoelektrycznej przy istnieniu gradientu temperatury wzdłuż przewodnika złącze zimne złącze ciepłe Mat A Mat A Mat B Mat B U te = α ΔT

174 Wykonania termometrów termoelektrycznych

175 Wykonania termometrów termoelektrycznych

176 TERMOMETRIA RADIACYJNA i TERMOWIZJA

177 Widmo elektromagnetyczne Podział widma elektromagnetycznego ze względu na długość fali

178 Podstawowe elementy składowe termometru radiacyjnego Optyka lustrzana Czujnik temperatury detektora Promieniowanie podczerwone Przesłona wirująca S M U X A/C μp Układ elektroniczny Chłodziarka Peltiera RS 232 Czujnik radiacyjny

179 Detektory promieniowania pojedyncze (termometry) matryce detektorów (kamery): bolometryczne termoelektryczne piroelektryczne kwantowe

180 Stos termoelektryczny Metal A (antymon) Metal B (bismut) Masywny blok krzemu odprowadzajacy ciepło Zimne końce na grubej ramce krzemowej Warstwa poczerni ona Membrana μm A B C D Gorące końce na cienkiej membranie krzemowej Czujnik temperatury zimnych końców Izolacja z SiO 2

181 Przetwarzanie sygnału Schemat blokowy

182 Wygląd matrycy detektorów - przykład Matryca detektorów o rozmiarach 320x240 Moduł kamery obserwacyjnej

183 Przykładowe termogramy budownictwo hutnictwo elektroenergetyka

184

185

186

187

188

189