Wykład IV Czujniki pomiarowe. Budowa i zasada działania Copyright by Maciej Rosół
Czujniki indukcyjne Elementy wykrywające w sposób bezdotykowy obecność obiektów metalowych. Kierunek obrotów Zastosowanie: Wyłączniki krańcowe, Liczniki lub pozycjonery elementów na taśmie montażowej, Mierniki prędkości obrotowej. Czujnik indukcyjny
Powstają prądy wirowe, które zmieniają dobroć i obciążają układ oscylatora Pole elektromagnetyczne zmienne o dużej częstotliwości
Parametry pracy: Zasilanie: 1 30 VDC, 90 250 VAC, Tryb pracy: ciągły, impulsowy, Rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowe z tranzystorem OC, prądowe. Maksymalna częstotliwość przełączania 1 1.5 khz (5 khz); Strefa działania (podawana najczęściej jako nominalna S n ) od 0.5 do 60 mm, Strefa rzeczywista. Uwzględnia fabryczną tolerancję wykonania wyrobu (0.9 S n <S r < 1.1 S n ), Strefa robocza. Mierzona w rzeczywistych warunkach pracy czujnika (0.81 S n <S w < 1.21 S n ), Wielkość histerezy. Mierzona w stosunku do S n (1.5-15%), Stosowane zabezpieczenia: zwarciowe, przeciążeniowe, przepięciowe, odwrotne zasilenie czujnika.
U CC V t V śr Vt V śr 100% 10% V śr średnia wartość napięcia zasilania V t napięcie tętnień (szczyt-szczyt)
Czujniki przemieszczenia (LVDT) LVDT Linear Variable Differential Transformer + ABS Filter Value V A d: ±100µm ±25cm F: 20Hz 20kHz AC V OUT =V A -V B + - V OUT V B - ABS Value Filter
Przykład układu do kondycjonowania sygnału z czujnika LVDT na podstawie AD598 V OUT Pozycja - + Wartość funkcji (A-B)/(A+B) niezależna od amplitudy sygnału wejściowego. Ponadto (A+B)=constant
Czujniki przyśpieszenia (akcelerometry) Elementy do pomiaru przyspieszeń, prędkości i pozycji obiektów ruchomych.. Parametry pracy: Zasilanie: 2.7 5.25 VDC, Rodzaj sygnału na wyjściu: napięciowy w skali V/g (typowo 250 mv/g 1.5 V/g), Pasmo przenoszenia 1 10 khz, Rozdzielczość: 2 mg, Wytrzymałość na wstrząsy około 1000 g, Maksymalny prąd wyjściowy (typ. 50 100 µa), Zakres pracy: ±5 g, ±50 g itp..
Zasada działania akcelerometru Nieruchome okładziny Mocowania Belka 1 komórka Przyśpieszenie Układ łączy w sobie mikromechaniczny układ czujnika z elektroniką przetwarzającą sygnał z czujnika. Budowa Układ składa się z 42 komórek, z których każda zawiera: płytki ruchome, płytki nieruchome, belkę.
Skalowanie akcelerometru
Przykład akcelerometru: ADXL105 firmy Analog Devices [2], [3] V DD T OUT ST 1 6 13 14 Czujnik Temper. ST: Self-Test T OUT : pomiar temperatury A OUT : pomiar przyspieszenia dla V DD =5V, 250mV/g V MID : napięcie refer., V DD /2 Czujnik przyśp. 7 COM 4 8 9 10 11 12 A OUT VMID V NIN V IN UCA OUT
Typowe aplikacje ADXL105 [3] R V OUT = 2 250 R 1 mv g
8.5 Wartość napięcia na wyjściu UCA [V] 6 Wartość napięcia na wyjściu UCA [V] 8 7.5 7 6.5 R2/R1=2 5 4 R2/R1=2.5 R5/R=3/5 6 5.5 5 R2/R1=1 3 2 R2/R1=1 R5/R=3/5 4.5 4 R2/R1=0.5 3.5-2 -1.5-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Przyspieszenie [g] 1 R2/R1=5 R5/R=3.09/5 0-2 -1.5-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 Przyspieszenie [g]
I L R L Pomiar prądu Efekt Halla I U OUT U M R M V H I L : 0 3 A R M : 5/3 Ω U M : 0 5 V η = P P L OUT = U OUT U OUT : 0 20 V I U L OUT I I L 2 L R M = 3 4 V H = B R H I B d
Wielozakresowy czujnik natężenia prądu [7] I P N P = I W N W
Przykładowa aplikacja V+ V- JP6 1 2 CURRENT IN JP8 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 SELECT OUT JP7 1 2 3 4 5 6 7 8 CURRENT RANGE COIL5 COIL4 COIL3 COIL2 COIL1 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 U2 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 COIL1 COIL2 COIL3 COIL4 COIL5 +VCC -VCC OUT Hall Current Measure 12 11 13 R9 R8 RESISTOR 1k 3 2 1 3 2 V+ 7 1 + - 4 8 V- U3 6 OP07 R11 4.7k RTDAC_AIN1 R10 4.7k
Scalone czujniki natężenia prądu [8] RS+ V RS+ -I L R SENSE Q2 V RS+ RG1 A1 I L R SENSE A2 V RS+ -I L R SENSE RG2 Q1 RS- OUT Metody wykorzystują rezystor pomiarowy włączony szeregowo z obciążeniem. Dla MAX471: R SENSE 35mΩ Współczynnik konwersji: I OUT /I L = 0.5 ma/a Komparator sygnalizuje kierunek przepływu prądu przez obciążenie. MAX471 I L R SENSE = I OUT R G1 COMP SIGN UWAGA! Pomiar prądu do kilku - kilkunastu (zewnętrzny rezystor pomiarowy) amperów.
Pomiar temperatury W zależności od zakresu temperatur możliwość użycia: Zintegrowanych scalonych, półprzewodnikowych czujników temperatury (-55 150 C), Termopar (-200 2300 C), Czujników rezystancyjnych typu Pt100, termistorów (-55 450 C). Parametry: Czułość (najlepsze rezystancyjne 10-4 C), Bezwładność (najlepsze termopary 0.1s, 10µs), Stałość charakterystyk temperaturowych (najlepsze rezystancyjne), Temperaturowy zakres pracy. Zastosowanie: Regulacja temperatury, Systemy alarmowe i zabezpieczeń.
Termistor Realizuje funkcję: R T =f(t) Produkowane jako: NTC(ang.Negative Temperature Coefficent), PTC (ang. Positive Temperature Coefficent), +9V +VCC 2 1 RT1 THERMISTOR t R1 200 1 R2 2k 2 R1 4.7k 3 2 7 1 + - 4 5-9V U1 6 LM741 R1 470 D1 LED D1 LED 1 2 RT1 THERMISTOR t R1 200 3 2 7 1 + 3-4 5 U1 6 LM741 OUT
Termopara Przewody kompensacyjne mv Zimne końce termopary Przewodnik 1 Przewodnik 2 Zjawisko termo-elektryczne Polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w obwodzie złożonym z dwóch przewodników, których spojenia mają różne temperatury (różna koncentracja swobodnych nośników ładunków elektrycznych w obu spojeniach oraz różna praca wyjścia. SEM jest proporcjonalna do różnicy temperatur obu złącz. Gorący koniec termopary
Pomiar temperatury z wykorzystaniem termopary R9: Ustala górną granicę zakresu pomiarowego. R3: Ustala dolną granicę zakresu pomiarowego.
Scalone układy pomiarowe dla termopary (AD595 Analog Devices [4]) +C,-C,+T,-T: Umożliwiają kalibrację układu dla innych rodzajów termopar
Podstawowe parametry: Dokładność: 0.5 C dla +25 C, Zakres temperaturowy: 55 C do +150 C, Napięcie zasilania: od +4.0V do +30V, Wyjście skalowane +10mV/ C, Nieliniowość: ±1/4 C. Scalony czujnik temperatury LM35 +Vcc (4 20V) +Vcc (4 20V) LM35 Output (0mV+10 mv/ C) LM35 Output (0 10 mv/ C) Wyjście z czujnika proporcjonalne do temperatury w C -Vss
Przykładowe aplikacje (National Semiconductors) [9] -55 +150 C
Scalone czujniki TMP03/04 [11] Struktura układu Czujnik temperatury Podstawowe parametry: Dokładność ±1.5 C od 25 C do +100 C, Zakres temperaturowy: 25 C do +100 C, max. do 150 C przy obniżonej dokładności, Napięcie zasilania: od +4.5V do +7V, Wyjście typu Open collector. V PTAT V REF Modulator cyfrowy T 1 T 2 Format sygnału wyjściowego D OUT V+ GND 400 T Temp [ o C] = 235 T2 1 720 T Temp [ o F] = 455 T2 1
TMP03/04 zasada działania Schemat blokowy modulatora sigma-delta (Σ ) Przebiegi czasowe
Pomiar kąta i położenia Enkodery (HP) Budowa enkodera HEDS9x [1] CH A: Fala A. CH B: Fala B. CH I: Sygnał pełnego obrotu tarczy enkodera.
Przebiegi poszczególnych sygnałów
Indukcyjne czujniki obrotu
Mikrofalowe czujniki położenia (Balluff) [5] Element pomiarowy (ang. waveguide) stanowi rurka ze stopu niklowożelazowego o średnicach: - zewnętrzna: 0.7mm - wewnętrzna: 0.5mm Prędkość propagacji fali mechanicznej: 2830 m/s
Przebiegi sygnałów
Literatura 1. Agilent Technologies Inc., Three Channel Optical Incremental Encoder Modules. Technical Data. HEDS-9040/9140, October, 1999. 2. Analog Devices, ADXL150/ADXL250. Single/Dual Axis Accelerometers, Data Sheet, USA, http://www.analog.com, 1998. 3. Analog Devices, ADXL105 Single Axis Accelerometer with Analog Input, Data Sheet, USA, 1999. 4. Analog Devices, AD594/595. Monolithic Thermocouple Amplifiers with Cold Junction Compensation, Data Sheet, USA, 1999. 5. Balluff, Micropulse Transducers. BTL5 The New Generation, http://www.balluff.com, 2001. 6. Elektronika Praktyczna, Parametry Czujników Indukcyjnych, Grudzień, 1999, s.33-34. 7. LEM, Current Transducer LA 25-NP, http://www.lem.com, September, 1998. 8. MAXIM, MAX471. Data Sheet. 9. National Semiconductors, LM35. Precision Centigrade Temperature Sensors, Data Sheet, http://www.national.com, November, 2000. 10. RS Components, Hall Effect Transducers, Current and Voltage, Data Sheet, March, 2001. 11. Analog Devices, TMP03/TMP04 Serial digital output thermometers, Data Sheet, USA, 2002.