Temat ćwiczenia: CZUJNIKI ZBLIŻENIOWE 1. Wprowadzenie Czujniki zbliżeniowe są wykorzystywane w układach automatyki przemysłowej do detekcji obiektów. Zakres działania tych czujników wynosi zwykle 10 do 200 mm. W przypadku pomiaru mniejszych odległości wykonywane są czujniki specjalne. W wyniku zbliżenia wykrywanego przedmiotu do powierzchni aktywnej czujnika następuje zmiana stanu wyjścia czujnika, informująca o detekcji przeszkody (rys. 1). Rys. 1. Ilustracja metody pomiaru odległości przełączania czujnika zbliżeniowego. W zależności od obiektu, jaki ma być wykrywany, dobiera się odpowiedni typ czujnika zbliżeniowego, reagujący na określone własności (rodzaj materiału, kolor itp.). Spośród różnych typów czujników zbliżeniowych najszersze zastosowanie znalazły czujniki indukcyjne, pojemnościowe i optyczne. Zbliżeniowe czujniki indukcyjne reagują na wprowadzenie metalu w ich strefę działania - mogą więc być stosowane do wykrywania tylko przedmiotów metalowych. Powszechnie wykorzystywane są do precyzyjnego określania położenia ruchomych części maszyn i urządzeń. Charakteryzują się dużą pewnością działania, bezdotykową praca, brakiem zużycia i niezawodnością w trudnych warunkach środowiskowych. Działanie czujników optycznych opiera się na zasadzie wykrywania zmiany parametrów wiązki promieni świetlnych wysyłanych przez nadajnik i odbieranych przez odbiornik. Nadajnik i odbiornik umieszczone są często we wspólnej obudowie, a analizowana jest wiązka odbita od obiektów wprowadzonych w strefę działania sensora. Wykorzystywane może być też przesłanianie wiązki przez obiekt wprowadzany pomiędzy nadajnik i odbiornik. Sensory optyczne stosowane są m.in. do kontroli położenia ruchomych części maszyn, detekcji obiektów znajdujących się w ich zasięgu działania (np. na przesuwającej się taśmie transportowej), określania poziomu cieczy i materiałów sypkich. Charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów. Zbliżeniowe czujniki pojemnościowe działają na zasadzie wykrywania zmiany pojemności elektrycznej wywołanej obecnością przedmiotu. Gdy obiekt (metaliczny lub niemetaliczny) zbliża się do powierzchni aktywnej czujnika pojemność pomiędzy masą a aktywną strefą czujnika zwiększa się. Gdy zostanie przekroczona pewna wartość progowa rozpoczyna pracę 06_SiEWA_CZ.doc 1
generator, powodując za pośrednictwem układu progowego zmianę stanu wyjściowego czujnika. Odległość, w której następuje wykrycie przedmiotu ulega obniżeniu w wypadku materiałów o niskiej stałej dielektrycznej. Czujniki pojemnościowe nadają się szczególnie do kontroli stopnia napełnienia zbiorników, położenia elementów ruchomych oraz detekcji wszelkiego rodzaju elementów metalicznych i niemetalicznych. Ćwiczenie 1: 1. 1. Wprowadzenie Indukcyjny czujnik zbliżeniowy Działanie czujnika indukcyjnego polega na wytworzeniu w otwartym rdzeniu ferrytowym z uzwojeniami, odpowiednio ukierunkowanego, zmiennego pola magnetycznego tworzącego strefę czułości czujnika (rys. 1.1). Rys. 1.1. Schemat blokowy czujnika indukcyjnego. Uzwojenia są przyłączone do oscylatora LC o częstotliwości od 200 khz do 1 MHz. Wprowadzenie w obszar tego pola przedmiotu metalowego powoduje indukowanie w nim prądów wirowych (rys.1.2), co odbywa się kosztem energii pola magnetycznego i oznacza zmniejszenie amplitudy sygnału wyjściowego z oscylatora. Zmianę tą wykrywa układ detektora, a układ progowy zamienia ją na sygnał dwustanowy. Histereza układu progowego zapewnia dwustanową pracę czujnika i jego poprawne działanie w wypadku występowania drgań urządzenia. Wzmacniacz wyjściowy umożliwia bezpośrednie, bezstykowe sterowanie przekaźnikami i stycznikami. Rys.1.2. Wpływ metalowej płytki na pracę oscylatora w czujniku indukcyjnym. 06_SiEWA_CZ.doc 2
Zakres działania czujnika mieści się w granicach 5 do 40 mm. Chociaż czujniki indukcyjne charakteryzują się dużą wytrzymałością i niezawodnością, istotną niedogodnością jest fakt, że mogą być wykorzystywane tylko do wykrywania przedmiotów metalowych. 1.2. Zestaw aparatury Zestawem pomiarowym jest stanowisko umożliwiające określenie strefy działania badanego czujnika dla różnych próbek metali. W skład zestawu wchodzi trwale umocowany czujnik wraz z zespołem zasilania i sygnalizatora stanu wyjściowego oraz przesuwny stolik pomiarowy umożliwiający mocowanie różnych próbek metali, których wpływ na działanie czujnika badamy. Stolik pozwala na zbliżanie i oddalanie od czoła czujnika równoległej do niego płytki badanego materiału. Przesuwu stolika dokonuje się za pomocą śruby regulacyjnej wyposażonej w podziałkę. Pełen obrót pokrętłem powoduje przesunięcie stolika o 1 mm, a najmniejsza podziałka skali odpowiada odległości 1/8 mm = 125 m. Szkic ogólny stanowiska pomiarowego oraz schemat połączeń elektrycznych przedstawia rys. 1.3. Rys. 1.3. Stanowisko pomiarowe: 1) podstawa, 2) zasilacz, 3) wtyk sieciowy, 4) włącznik zasilania, 5) kontrolka zasilania, 6) sygnalizacja zadziałania czujnika, 7) badany czujnik, 8) stolik pomiarowy, 9) uchwyt mocujący próbki metali, 10) pokrętło śruby regulacyjnej. W trakcie ćwiczenia należy zapoznać się z pracą indukcyjnego czujnika zbliżeniowego. W tym celu do uchwytów mocujących (9) rys. 1.3 stolika pomiarowego należy wsunąć jedną z badanych próbek metalu i pokrętłem regulacyjnym (10) dosunąć stolik wraz z próbką do czoła czujnika (tj. ustawić zerową odległość). Następnie odsuwając stolik od czujnika określić: odległość przy jakiej czujnik przestaje działać (gaśnie sygnalizacja zadziałania czujnika czerwona dioda LED) oraz odległość przy której następuje zadziałanie czujnika (świecenie diody LED). 06_SiEWA_CZ.doc 3
Uwaga: należy pamiętać, że jeden pełny obrót pokrętłem regulacyjnym odpowiada przesunięciu stolika pomiarowego o 1 mm, a obrót o jedną działkę przesunięciu o 1/8 mm = 125 m. Pomiar należy powtórzyć dla pozostałych próbek metali, każdorazowo rozpoczynając od dosunięcia próbki do czoła czujnika. W trakcie wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na odmienne odległości zadziałania i wyłączania czujnika dla próbek różnych metali. Wskazana jest także ocena powtarzalności pomiaru (kilkakrotne przekraczanie granicy załączania i wyłączania czujnika). Rys. 1.4. Schemat połączeń elektrycznych. 1.3. Zadania 1.3.1. Zapoznać się z zestawem pomiarowym. 1.3.2. Przeprowadzić pomiar odległości zadziałania i wyłączania czujnika oraz szerokości histerezy pomiędzy punktem wyłączania, a punktem załączania czujnika. Pomiar przeprowadzić dla kilku próbek metali zaznaczając rodzaj materiału i jego cechy (grubość próbki). 06_SiEWA_CZ.doc 4
1.4. Opracowanie 1.4.1. Zestawić wyniki pomiarów w tabeli grupując je względem rodzaju metalu. 1.4.2. Wyznaczyć współczynniki korekcyjne (stosunek odległości zadziałania czujnika do odległości odniesienia) dla poszczególnych próbek. Jako odległość odniesienia przyjąć nominalną strefę działania wyznaczoną dla płytki wykonanej ze stali St37, o kształcie kwadratowym i grubości 1mm. Długość boku próbki pomiarowej odpowiada średnicy okręgu wpisanego powierzchni aktywnej. 1.4.3. Ocenić na ile ewentualna zmiana współczynnika korekcyjnego dla próbek tego samego metalu o różnej grubości jest wynikiem niedoskonałości pomiaru, a na ile wpływem grubości próbki. 1.4.4. Oszacować szerokość histerezy działania czujnika dla poszczególnych próbek oraz ocenić, czy jest ona stałą cechą czujnika, czy też zależy od rodzaju materiału (po uwzględnieniu współczynnika korekcyjnego). 1.4.5. Posługując się rys. 1.5 oszacować rzeczywistą S r, użyteczną S u i roboczą S a strefę działania dla poszczególnych próbek. Otrzymane wyniki zestawić w tabeli. Rys. 1.5. Szkic obrazujący odległości włączania i wyłączania czujnika oraz strefy jego działania. 06_SiEWA_CZ.doc 5
Ćwiczenie 2: Optyczny czujnik zbliżeniowy 2. 1. Wprowadzenie Dużą grupę prostych optycznych czujników zbliżenia stosowanych w robotach stanowią czujniki fotometryczne. Najprostszym przykładem czujnika fotometrycznego jest transoptor refleksyjny (rys. 2.1). Transoptorem nazywa się sprzężoną optycznie parę elementów, którymi są: źródło promieniowania będące najczęściej diodą elektroluminescencyjną, stanowiącą obwód wejściowy transoptora i fotodetektor, będący najczęściej fotodiodą lub fototranzystorem, stanowiący obwód wyjściowy transoptora. Źródło promieniowania i fotodetektor umieszczone są we wspólnej obudowie i odizolowane galwanicznie. W transoptorach refleksyjnych sprzężenie optyczne pomiędzy źródłem promieniowania, a fotodetektorem odbywa się poprzez odbicie promieniowania źródła od powierzchni wykrywanego przedmiotu. Pokazana na rys. 2.2 wspólna część dwóch stożków - stożka promieniowania źródła i stożka pola widzenia fotodetektora - określa obszar czułości czujnika. Rys. 2.1. Schemat blokowy czujnika optoelektronicznego. Duże znaczenie, jeśli chodzi o cechy użytkowe czujników optoelektronicznych ma długość fali emitowanej przez nadajnik. W większości wypadków czujniki te pracują w zakresie bliskiej podczerwieni. Zapewnia to niewrażliwość czujników na widzialne światło z otoczenia. Dodatkowo przez wzajemną synchronizację nadajnika i odbiornika gwarantowana jest duża odporność czujnika na zakłócenia oraz możliwość pracy w warunkach zanieczyszczenia powietrza i zabrudzenia układu optycznego czujnika. Wytwarzany w nadajniku silny impuls świetlny, nawet osłabiony rozproszeniem, dociera do odbiornika i po wzmocnieniu oraz analizie zapewnia poprawne działanie czujnika, chociaż trzeba pamiętać, że zanieczyszczenie powietrza i zabrudzenie układu optycznego osłabiają sygnał świetlny i skracają strefę działania czujnika. 06_SiEWA_CZ.doc 6
Rys. 2.2. Zasada działania transoptora refleksyjnego. Główną zaletą czujników optoelektronicznych jest ich duży zasięg działania (od 0.1 do 12 m) przy małych wymiarach czujników. 2.2. Zestaw aparatury Zestawem pomiarowym jest stanowisko umożliwiające określenie strefy działania badanego czujnika dla różnych materiałów. W skład zestawu wchodzi trwale umocowany czujnik wraz z zespołem zasilacza i sygnalizatora stanu wyjściowego oraz przesuwny stolik pomiarowy umożliwiający mocowanie różnych materiałów, których wpływ na działanie czujnika badamy. Stolik pozwala na zbliżanie i oddalanie od czoła czujnika równoległej do niego płytki badanego materiału. Szkic ogólny stanowiska pomiarowego oraz schemat połączeń elektrycznych przedstawiają rys. 2.3a i 2.3b. W trakcie ćwiczenia należy zapoznać się z pracą optycznego czujnika zbliżeniowego. W tym celu do uchwytów mocujących (9) rys. 2.3a stolika pomiarowego należy umocować jeden z badanych materiałów, dosunąć stolik wraz z próbką do czoła czujnika (tj. ustawić zerową odległość). Następnie odsuwając stolik od czujnika określić: odległość, przy jakiej czujnik przestaje działać (gaśnie sygnalizacja zadziałania czujnika - czerwony LED) oraz odległość przy której następuje zadziałanie czujnika (włączenie LED). 06_SiEWA_CZ.doc 7
Rys. 2.3a.Stanowisko pomiarowe: 1) podstawa, 2) zasilacz, 3) wtyk sieciowy, 4) włącznik zasilania, 5) kontrolka zasilania, 6) sygnalizacja zadziałania czujnika, 7) badany czujnik, 8) stolik pomiarowy, 9) uchwyt mocujący badane materiały. Pomiar należy powtórzyć dla innych próbek materiałów, każdorazowo rozpoczynając od dosunięcia próbki do czoła czujnika. W trakcie wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na odmienne odległości zadziałania i wyłączania czujnika dla próbek różnych materiałów. Wskazana jest także ocena powtarzalności pomiaru (kilkakrotne przekraczanie granicy załączania i wyłączania czujnika) oraz sprawdzenie wpływu oświetlenia zewnętrznego na otrzymywane wyniki. 06_SiEWA_CZ.doc 8
Rys. 2.3b. Schemat połączeń elektrycznych. 2.3. Zadania 2.3.1. Zapoznać się z zestawem pomiarowym. 2.3.2. Przeprowadzić pomiar nominalnej strefy działania czujnika przy pomocy wzorcowej próbki materiału (papier biały matowy 200g/m 2 ) 2.3.3. Przeprowadzić pomiar odległości zadziałania i wyłączania czujnika oraz szerokości histerezy pomiędzy punktem wyłączania a punktem załączania czujnika. Pomiar przeprowadzić dla wszystkich próbek materiałów zaznaczając rodzaj materiału i jego cechy (grubość próbki). 2.4. Opracowanie 2.4.1. Zestawić wyniki pomiarów we wspólnej tabeli grupując je względem rodzaju materiału. 2.4.2. Wykorzystując zmierzoną wartość nominalnej strefy działania badanego czujnika wyznaczyć współczynniki korekcyjne (stosunek odległości zadziałania czujnika do odległości odniesienia) dla poszczególnych próbek. 2.4.3. Oszacować szerokość histerezy działania czujnika dla poszczególnych próbek oraz ocenić, czy jest ona stałą cechą czujnika, czy też zależy od rodzaju materiału (po uwzględnieniu współczynnika korekcyjnego). 06_SiEWA_CZ.doc 9
Ćwiczenie 3: Pojemnościowy czujnik zbliżeniowy 3. 1. Wprowadzenie Czujnik pojemnościowy składa się z oscylatora RC, zawierającego kondensator o specjalnej konstrukcji, w którym powstaje odpowiednio ukształtowane pole elektryczne o dużej częstotliwości. Pole to tworzy strefę czułości czujnika (patrz rys. 3.1). Rys. 3.1. Schemat blokowy czujnika pojemnościowego. Wprowadzenie w obszar tego pola materiału wywołującego jego zakłócenie zmienia warunki generacji oscylatora. W wypadku materiałów przewodzących (metale) jest to zmiana pojemności kondensatora poprzez jego podział na dwa kondensatory C a i C b (rys. 3.2) połączone szeregowo, co powoduje ogólne zmniejszenie pojemności. Materiały nieprzewodzące (dielektryki) powodują zmianę współczynnika przenikalności dielektrycznej na większą w stosunku do powietrza, co bezpośrednio zmienia wartość pojemności kondensatora na większą. Obie te zmiany pojemności powodują zmiany warunków generacji oscylatora, objawiające się zmianami amplitudy sygnału wyjściowego z oscylatora. 06_SiEWA_CZ.doc 10
Rys.3.2. Wpływ metalu i dielektryka w polu elektrycznym czujnika pojemnościo-wego na pracę oscylatora. Zmianę tę wykrywa układ detektora, a układ progowy zamienia ją na sygnał dwustanowy z histerezą. Histereza zapewnia dwustanową pracę czujnika i jego poprawną pracę w wypadku występowania drgań urządzenia. Wzmacniacz wyjściowy umożliwia bezpośrednie, bezstykowe sterowanie przekaźnikami i stycznikami. Dodatkową cechą czujników pojemnościowych jest możliwość regulacji czułości potencjometrem znajdującym się w czujniku. Umożliwia on dobranie strefy roboczej czujnika dla danego rodzaju materiału w zakresie 5 do 20 mm. 3.2. Zestaw aparatury Zestawem pomiarowym jest stanowisko umożliwiające określenie strefy działania badanego czujnika dla różnych próbek metali i dielektryków. W skład zestawu wchodzi trwale umocowany czujnik wraz z zespołem zasilania i sygnalizatora stanu wyjściowego oraz przesuwny stolik pomiarowy umożliwiający mocowanie różnych próbek materiałów, których wpływ na działanie czujnika badamy. Stolik pozwala na zbliżanie i oddalanie od czoła czujnika równoległej do niego płytki badanego materiału. Przesuwu stolika dokonuje się za pomocą śruby regulacyjnej wyposażonej w podziałkę. Pełen obrót pokrętłem powoduje przesunięcie stolika o 1 mm, a najmniejsza podziałka skali odpowiada odległości 50 m. Szkic ogólny stanowiska pomiarowego oraz schemat połączeń elektrycznych przedstawiają rys. 3.3a i 3.3b. 06_SiEWA_CZ.doc 11
Rys. 3.3a. Stanowisko pomiarowe: 1) podstawa, 2) zasilacz, 3) wtyk sieciowy, 4) włącznik zasilania, 5) kontrolka zasilania, 6) sygnalizacja zadziałania czujnika, 7) badany czujnik, 8) stolik pomiarowy, 9) uchwyt mocujący próbki materiałów, 10) pokrętło śruby regulacyjnej. W trakcie ćwiczenia należy zapoznać się z pracą pojemnościowego czujnika zbliżeniowego. W tym celu do uchwytów mocujących (9) - rys. 3.3a stolika pomiarowego - należy wsunąć jedną z badanych próbek i pokrętłem regulacyjnym (10) dosunąć stolik wraz z próbką do czoła czujnika (tj. ustawić zerową odległość). Następnie odsuwając stolik od czujnika określić: odległość przy jakiej czujnik przestaje działać (gaśnie sygnalizacja zadziałania czujnika - czerwony LED) oraz odległość przy której następuje zadziałanie czujnika (włączenie LED). Rys. 3.3b. Schemat połączeń elektrycznych. Uwaga: należy pamiętać, że jednemu pełnemu obrotowi pokrętła regulacyjnego odpowiada przesunięcie stolika pomiarowego o 1 mm, a obrotowi o jedną działkę przesunięcie o 50 m. 06_SiEWA_CZ.doc 12
Pomiar należy powtórzyć dla pozostałych próbek materiałów, każdorazowo rozpoczynając od dosunięcia próbki do czoła czujnika. W trakcie wykonywania ćwiczenia należy zwrócić szczególną uwagę na odmienne odległości zadziałania i wyłączania czujnika dla próbek różnych materiałów. Wskazana jest także ocena powtarzalności pomiaru (kilkakrotne przekraczanie granicy załączania i wyłączania czujnika). Z zasady działania czujnika pojemnościowego wynika, że różne rodzaje materiałów odmiennie wpływają na zmianę pojemności wewnętrznej czujnika. Ogólną zasadą jest, że metale zmniejszają, a dielektryki zwiększają tę pojemność. W trakcie pomiarów należy zwrócić uwagę na możliwość skompensowania tych zmian np. w czasie pomiaru strefy działania dla próbek składających się z dielektryka i metalu. 3.3. Zadania 3.3.1. Zapoznać się z zestawem pomiarowym. 3.3.2. Przeprowadzić pomiar nominalnej strefy działania czujnika przy pomocy wzorcowej próbki materiału. 3.3.3. Przeprowadzić pomiar odległości zadziałania i wyłączania czujnika oraz szerokości histerezy pomiędzy punktem wyłączania a punktem załączania czujnika. Pomiar przeprowadzić dla następujących grup materiałów: - dielektryków, - płytek metalowych, - dielektryków z płytkami metalowymi. 3.4. Opracowanie 3.4.1. Zestawić wyniki pomiarów we wspólnej tabeli grupując je względem rodzaju materiału. Dlaczego wprowadzenie dielektryka pomiędzy czujnik a płytkę metalową powoduje powiększenie strefy działania? 3.4.2. Wykorzystując zmierzoną wartość nominalnej strefy działania badanego czujnika wyznaczyć współczynniki korekcyjne (stosunek odległości zadziałania czujnika do odległości odniesienia) dla poszczególnych próbek. 3.4.3. Oszacować względną szerokość histerezy działania czujnika dla poszczególnych grup materiałów. Czy szerokość względnej histerezy jest taka sama we wszystkich grupach materiałów (dielektryki, metale, dielektryki z metalem)? Przyjąć, że względna szerokość histerezy działania czujnika jest wartością przypadającą na jednostkę długości. 06_SiEWA_CZ.doc 13
Rys. 3.4. Szkic obrazujący odległości włączania i wyłączania czujnika oraz strefy jego działania. 06_SiEWA_CZ.doc 14