Pomiary drogi (przemieszczenia) i kąta [5]

Transkrypt

1 Pomiary drogi (przemieszczenia) i kąta [5] Metody potencjometryczne Odwzorowanie wielkości wejściowej (droga, kąt) w zmianę oporności (R(x)). Obiekt pomiaru łączony jest bezpośrednio lub za pomocą przekładni ze ślizgaczem potencjometru (obrotowego lub liniowego) [5] Właściwości. Zakres -potencjometry obrotowe 0 o -360 o -liniowe 0-20 mm do 0-2m Oporność 100 Ω do 100kΩ Liniowość 0,05% 0,2% Trwałość cykli Pomiary statyczne i dynamiczne. Podatność na zużycie.

2 Metody indukcyjne wykorzystuje się oddziaływanie ciała ferromagnetycznego na indukcję magnetyczną w cewce. Czujnik dławikowy prosty (zmiana szczeliny powietrznej x) Indukcyjność obwodu L zależy od szczeliny powietrznej. L(x) jest nieliniowe stąd konieczność zastosowania linearyzacji. Czujnik dławikowy różnicowy Różnica sygnałów jest w przybliżeniu liniowa. Pomiary statyczne i dynamiczne.

3 Czujnik transformatorowy Wykorzystują zmianę indukcyjności wzajemnej między cewkami (obecność dodatkowej cewki wzbudzeniowej po stronie wtórnej) Pracuje przeważnie w układzie różnicowym [5] Właściwości: zakresy pomiarowe 0, mm liniowość 0,15..0,5 % dryf temperaturowy 0, ,01 %/K Pomiary statyczne i dynamiczne. Pomiar kontaktowy Podlega zużywaniu się Czujniki parametryczne wymagające zasilania

4 Czujnik wiroprądowy Podstawowe elementy układu: czujnik z cewką nawiniętą na izolatorze ceramicznym, generator wysokiej częstotliwości (1MHz). generowany prąd przepływa przez cewkę czujnika i wytwarza szybkozmienne pole magnetyczne indukujące prądy wirowe w przewodniku. Te z kolei wytwarzają pole magnetyczne które nakładając się na pierwotne zmienia oporność magnetyczną i indukcyjność cewki. Skutkiem zmian zależnych od odległości jest zmiana amplitudy i fazy prądu płynącego w obwodzie generatora (A(d),f(d)). demodulator, który przekształca powstający zmodulowany sygnał w niskoczęstotliwościowe zmiany napięcia zależne liniowo od odległości.

5 Właściwości: Charakterystyka liniowa w szerokim przedziale odległości Zakresy pomiarowy nawet do 4mm dla pomiarów statycznych Niewielkie rozmiary Zależność charakterystyki od przenikalności magnetycznej i kształtu czopa wału (wymagana odrębna kalibracja każdego układu) Wpływ temperatury na charakterystykę układu (np. 5% na 60C) Mała wartość składowej dynamicznej w porównaniu do składowej statycznej mierzonego na wyjściu demodulatora napięcia Zakres dynamiczny 500:1 Zakres częstotliwości 0-10kHz (teoretycznie) Hz (praktycznie) Pomiar bezkontaktowy Brak części ruchomych, brak zużycia z tym związanego Pomiary statyczne i dynamiczne Czujnik parametryczny wymagający zasilania

6 Metody pomiaru za pomocą sensorów pola magnetycznego (hallotrony) Sensory pola magnetycznego wykorzystują odchylenie ładunków poruszających się polu magnetycznym. [5] Cienka płytka półprzewodnikowa przez którą przesyłany jest prąd sterujący I o. Tory elektronów odchylane są przez składową pola magnetycznego o gęstości strumienia magnetycznego B z co powoduje powstanie różnicy potencjałów na poprzecznych stronach płytki U H (napięcie Halla U H (B z )). W celu pomiaru drogi magnes stały jest przymocowany do poruszającego się obiektu i prowadzony ponad nieruchomym czujnikiem. Właściwości Decydującą zaletą jest wytwarzanie elementów czujnika jak i elektroniki opracowującej za pomocą standardowej technologii półprzewodnikowej (zintegrowane w jednym chipie) Konieczność linearyzacji, duża czułość poprzeczna (B z ) zmienia się także w podczas ruchu pionowego do kierunku pomiaru. Pomiar statyczny i dynamiczny.

7 Metody pojemnościowe jako efekt pomiarowy wykorzystywana jest zmiana pojemności kondensatora płytowego (C(d)). W celu pomiaru mogą być wykorzystane zmiany powierzchni płyty, odległości płyt, przenikalności elektrycznych.

8 Właściwości: Możliwość wytwarzania prawie dowolnych charakterystyk poprzez odpowiednie ukształtowanie geometrii płyty. Nieczułość na wahania temperatury i możliwość pracy w wysokich temperaturach. Wpływ pojemności kabla łączącego przetwornik z innymi elementami układu pomiarowego. Pomiar statyczny i dynamiczny Zakres pomiarowy 0,1..10 mm Rozdzielczość 0, nm Liniowość 0,01% Czujniki parametryczne wymagające zasilania

9 Metody ultradźwiękowe - pomiar opiera się na pomiarze czasu przebiegu impulsu ultradźwiękowego od źródła do odbiornika. Jako przetworniki stosuje się elementy piezoelektryczne (przy przyłożeniu napięcia piezoelektryki odkształcają się). Przy krótkotrwałym pobudzeniu zmiennym napięciem drgają generując sygnał ultradźwiękowy (20kHz- 200kHz), który odbijając się od przeszkody wraca do tego samego przetwornika, który jest w stanie oczekiwania. Ponieważ efekt piezoelektryczny jest odwracalny (przy odkształcaniu wytwarza się na powierzchni ładunek elektryczny) ten sam element służy jako odbiornik.

10 [5] Właściwości: Konieczność zastosowania filtru pasmowego (blok przygotowanie sygnału) strojonego na częstotliwość generowanego sygnału. Zależność prędkości rozchodzenia się fali ultradźwiękowej od temperatury, wilgotności i ciśnienia stycznego powietrza (pomijalny).

11 Wpływ temperatury na prędkość fali akustycznej w powietrzu Prędkosć dźwięku [m/s] Temperatura [C] Przy wyskalowanym pomiarze dla temperatury 20 C i dalszych pomiarach np. w 100C błąd ok. 12% Konieczność kompensacji wpływu temperatury (zintegrowany czujnik temperatury) Własności przetwornika zależą od częstotliwości generowanej fali ultradźwiękowej: wyższe częstotliwości pozwalają na zwiększenie rozdzielczości pomiaru, ale są łatwiej pochłaniane przez powietrze. Należy także uwzględnić ewentualne zakłócenia od innych źródeł ultradźwięków. Należy wziąć pod uwagę silne pochłanianie ultradźwięków przez niektóre materiały o strukturze porowatej i o niewielkiej gęstości (np. tworzywa piankowe) lub niektóre gazy (np. CO 2 ) oraz minimalną wielkość rozpoznawanego obiektu. Pomiar statyczny i dynamiczny.

12 Magnetostrykcyjne czujniki drogi Magnetostrykcja efekt odkształcenia sprężystego ferromagnetyka pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. [5] Element pomiarowy ( przewód falowy ) składa się z rury wykonanej z materiału magnetostrykcyjnego (np. stopy z udziałem niklu), w której wnętrzu znajduje się drut miedziany. Na ten drut podaje się impulsy elektryczne (np. o częstotliwości 1 khz) co powoduje powstanie kołowego pola magnetycznego w przewodzie falowym. W miejscu pomiaru położenia znajduje się magnes (przeważnie pierścieniowy) dający prostopadłe do przewodu falowego linie pola magnetycznego. Nakładanie się pól magnetycznych wywołuje efekt magnetostrykcji w przewodzie falowym i powoduje skręcenie przewodu falowego. Ponieważ przepływający prąd w przewodniku to krótki impuls w przewodzie powstaje fala skrętna rozchodząca się od miejsca lokalizacji magnesu pierścieniowego do obu końców przewodu falowego. Fala skrętna dociera do przetwornika piezoelektrycznego którego odkształcenie powoduje generację napięcia. W drugim kierunku fala jest wytłumiana poprzez tłumik. Czas od przyłożenia napięcia impulsu prądowego aż do rejestracji fali skrętnej przez przetwornik piezoelektryczny jest proporcjonalny do odległości miedzy magnesem ( z możliwością przemieszczania się) i końcem pręta. Pomiar drogi następuje w oparciu o pomiar czasu. Właściwości: Rozdzielczość µm przy długości nawet kilku metrów. Prostota budowy, możliwość stosowania w warunkach ekstremalnych. Pomiary statyczne i dynamiczne.

13 Nadajniki wartości absolutnej kąta - resolwery Resolwery optyczne składają się z tarczy szklanej z kilkoma współosiowo umieszczonymi ścieżkami z jasnymi i ciemnymi polami. [5] Ścieżki te są odczytywane przez promieniowo usytuowane bramki świetlne (fotoelementy). Liczba ścieżek ustala rozdzielczość resolwera. Za pomocą n ścieżek można zakodować 2 n położeń. Ostateczny zakres i rozdzielczość wynika z zastosowanych przełożeń mechanicznych (np. kilka tarcz związanych poprzez przekładnie mechaniczne o przełożeniach równych rozdzielczości każdej z nich). Z definicji pomiary statyczne jak i dynamiczne.

14 Inkrementalne metody pomiarowe Metody oparte o zliczanie pojedynczych zdarzeń (impulsów elektrycznych) gdzie kolejne zarejestrowane zdarzenie wyznacza przyrost drogi (kąta). W celu określenia położenia absolutnego konieczne wyznaczenie położenia odniesienia. Enkoder optyczny podobna budowa do resolwera ale tylko jedna tarcza z jedną ścieżką z równooddalonymi szczelinami. [5] Za pomocą odpowiedniej siatki odczytującej i dwóch fotoodbiorników wytwarzane są dwa sygnały przesunięte w fazie względem siebie o 90 o co pozwala na odczyt kierunku ruchu. [5]

15 Aby inkrementalnemu wynikowi pomiaru przypisać wartość absolutną położenia należy ustalić punkt odniesienia (punkt zerowy). Następuje to zwykle poprzez zastosowanie dodatkowego przełącznika (np. dotykowego tzw. krańcówki ), który wyznacza pozycję zerową (np. w przypadku skomputeryzowanych pomiarów, czy zastosowania gotowego sterownika, w momencie kontaktu badanego obiektu z krańcówką zerujemy wartość licznika ilości impulsów enkodera tzw. jazda odniesieniowa ). W przypadku wykorzystywania enkodera ze znacznikiem zera (możliwy tylko jeden obrót enkodera). W przypadku zastosowania komputera do pomiarów za pomocą enkodera stosuje się karty rozszerzeń (karty enkodera) które automatycznie w tle (za pomocą procedur obsługi przerwań) same zliczają ilość impulsów natomiast zadaniem programu komputerowego jest jedynie odczyt aktualnego stanu licznika. Liniały inkrementalne wersja liniowa enkodera obrotowego. Liniały inkrementalne działające w oparciu o indukcję (dla kilkumetrowych długości) taśma magnetyczna z zapisanymi impulsami i głowica odczytująca poruszająca się względem taśmy. Właściwości Ilość impulsów na obrót (enkodery obrotowe) Poprzez analizę zboczy można rozdzielczość zwiększyć dwukrotnie Możliwe zastosowanie przekładni mechanicznej. Liniały inkrementalne rozdzielczość 1µm

16 Metody laserowe.zasadą pracy jest pomiar czasu przebiegu promieniowania laserowego od głowicy do obiektu i z powrotem oraz wyliczenie odległości od przedmiotu. Przykładowe właściwości *Rozdzielczość przy zakresie 4m min. 70 mm (min. wielkość obiektu) *Minimalny współczynnik odbicia 1,8% *Rozdzielczość przy zakresie 15m min. 80 mm (min. wielkość obiektu) *Minimalny współczynnik odbicia 20% Metody optyczne Metody pozwalające na znalezienie położenia i orientacji bryły sztywnej trójwymiarowej względem układu kamery na podstawie informacji wizyjnej z niej pochodzącej oraz znajomości wymiarów bryły i ogniskowej kamery (zagadnienie z zakresu rozpoznawania obrazów, robotyka).