Prof. Krzsztof Jemielniak k.jemielniak@wip.pw.edu.pl http://www.cim.pw.edu.pl/kjemiel ST 107, tel. 234 8656 1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i sstemów pomiarowch SENSORYKA 1. Wprowadzenie do czujników i sstemów pomiarowch Regulamin przedmiotu, plan plan wkładu, strona strona www www Wprowadzenie do czujników Rola pomiarów w sstemach wtwarzania Sstem pomiarow http://www.cim.pw.edu.pl/sensorka Regulamin przedmiotu Sensorka 1. Przedmiot składa się z dwóch jednostek ddaktcznch: Wkład zaliczan egzaminem Laboratorium zaliczane w trakcie zajęć 2. Każda z nich oceniana jest punktowo w skali 0-50, 3. Do zaliczenia przedmiotu potrzebne jest zdobcie min. 25 punktów w ramach każdej z tch jednostek 4. Ocena z przedmiotu jest jedna, według krteriów: 0-50 2 51-60 3 61-70 3,5 Czli wg wzoru: 71-80 4 81-90 4,5 91-100 5 ocena = 4*suma/max +1 Sensorka w kontekście Poziom inżnierski Sensorka semestr 4 nauka o czujnikach, torach pomiarowch, przetwarzaniu sgnałów na postać cfrową Automatczne monitorowanie i nadzór wtwarzania Zastosowanie semestr 6 zastosowanie wżej i niżej wmienionch w praktce przemsłowej co? Poziom magisterski Przetwarzanie sgnałów semestr 1 metod modfikacja sgnałów w celu uzskania/ ulepszenia/ zmian postaci informacji Wirtualne przrząd pomiarowe semestr 2 nauka programowania (kodowania) w jęzku LabVIEW umożliwiająca praktczną realizację powższch Hardware czm? Teoria jak? Software jak? http://www.cim.pw.edu.pl/sensorka Plan wkładu 1. Wstęp, wprowadzenie do czujników do czujników 2. Czujniki położenia odległości i kąta 3. Czujniki drgań 4. Czujniki AE i dźwięku 5. Czujniki sił, momentów i ciśnienia 6. Czujniki temperatur 7. Budowa toru pomiarowego, wstępna obróbka sgnału i przetwarzanie A/C 8. Case stud: Badanie błędów ruchu obrotowego i efektów termicznch w obrabiarkach 1
1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i sstemów pomiarowch Plan wkładu, regulamin przedmiotu, strona www Wprowadzenie do do czujników Rola pomiarów w sstemach wtwarzania Sstem pomiarow Wszstko zaczna się od zmsłów Nie ma nic w umśle, czego nie błob przedtem w zmsłach Św. Tomasz z Akwinu (1221-1274) Wszelka nasza wiedza ma początek w naszch zmsłach Leonardo da Vinci (1452-1519) Postrzeganie zmsłowe jest procesem uświadamiania sobie lub rozumienia informacji docierającch z narządów środowisko / otoczenie zjawiska, wielkości fizczne zmsł / czujniki odczucia / sgnał mózg / komputer reakcje wiedza, efekt działań Homocentrczne widzenie świata wzrok jest naszm najważniejszm zmsłem, dostarczającm nam najwięcej informacji, ale... owad mają dwoje oczu po powiedzm 10,000 elementów światłoczułch w każdm umiem posługiwać się dotkiem, ale... karaluch mają 30,000 włosków czułch na ruch powietrza na każdej nodze mogą wczuć zbliżające się obiekt bez dotkania ich podobnie jest z innmi zmsłami Świat oferuje znacznie więcej informacji niż m jesteśm w stanie postrzegać zmsłami Tp czujników Istnieje ogromna liczba tpów czujników wiele wkrwa zjawiska, którch człowiek nie może wkrć np. magnetzm, podczerwień, ultrafiolet, ultradźwięki, faza światła itd. Omówim tu tlko część z nich, zwłaszcza te, które mogą znaleźć zastosowanie sstemach wtwarzania Czujnik przetwornik Przetwornik przekształca jedną wielkość fizczną jak temperatura, siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektrczną jak napięcie lub opór Wielkość fizczna przetwornik opór, napięcie Czujnik to urządzenie, zawierające obudowan przetwornik, przewod odprowadzające sgnał itp. Czujnik drgań (akcelerometr) masa sejsmiczna obudowa badan element przetwornik piezoelektrczn sgnał Tp czujników Wróżniam sześć podstawowch tpów czujników (przetworników) z punktu widzenia mierzonch sgnałów i form energii przetwarzanej przez nie: mechaniczne termiczne (energia kinetczna atomów lub cząsteczek) elektrczne magnetczne radiacjne (włączając fale elektromagnetczne, mikrofale itd.) chemiczne 2
Mierzone wielkości fizczne (przkład) Specfikacja czujnika Wielkość fizczna pozcja, odległość przemieszczenie siła drgania, emisja akustczna dźwięk temperatura czujnik/przetwornik potencjometr, czujnik indukcjn, czujnik pojemnościow, enkoder optczn tensometr, przetwornik piezoelektrczn przetwornik piezoelektrczn (akcelerometr, czujnik AE) mikrofon termopara, detektor oporow ( (RTD), termistor, itp Dokładność: różnica międz wnikiem pomiaru a wartością rzeczwistą mierzonej wielkości Rozdzielczość: najmniejsza zmiana wielkości mierzonej, która może bć wkrta w sgnale wjściowm. wrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnch Czułość: stosunek zmian sgnału wjściowego do zmian wielkości mierzonej nachlenie zależności sgnału wjściowego od wejściowego Powtarzalność (preczja): zdolność czujnika do wskazwania tej samej wartości sgnału wjściowego prz kolejnch powtórzeniach wartości mierzonej. mierzona parametrami rozkładu sgnału wjściowego Dokładność a rozdzielczość Dokładność a preczja prawdziwa wartość DOKŁADNOŚĆ wnik pomiaru ROZDZIELCZOŚĆ Preczja bez dokładności Dokładność bez preczji Preczja i dokładność Charakterstka czujnika Zależność sgnału wjściowego (np. napięcia) od wielkości mierzonej Przkład: indukcjn czujnik przemieszczeń liniowch (LVDT): Zakres pomiarow Zakres pomiarow to minimalna i maksmalna wartość mierzona: x min x max tu zakres pomiarow z = -500 +500 mm 3
dokładność = 14.9 mm dokładność = 2.5 mm Czułość czujnika Błąd czułości Czułością czujnika nazwam nachlenie jego charakterstki: s = D/ Dx Błędem czułości jest odchlenie nachlenia charakterstki od wartości teoretcznej tu czułość zmierzona wnosi 10.3 mv/mm tu s = 10mV/mm D Dx Błąd liniowości Offset Błąd liniowości to odchlenie rzeczwistej charakterstki od linii prostej, wrażan najczęściej w % w stosunku do rozpiętości zakresu pomiarowego: max x lin -x pom Dlin = x max - x min Offset to wartość sgnału gd wartość mierzona jest równa 0, lub przesunięcie całej charakterstki w górę lub w dół w stosunku do wartości teoretcznej: offset max Przkład czujnik przemieszczeń liniowch Przkład czujnik przemieszczeń liniowch Błęd pomiaru, dla charakterstki linowej, nominalnej x [mm]= [mv]/s; s=10 mv/mm Błąd pomiaru dx = x rzecz - /s Błęd pomiaru po eliminacji błędu czułości, dla charakterstki linowej x [mm]= [mv]/s; s=10.3 mv/mm Błąd pomiaru dx = x rzecz - /s offset=-0,6mm offset=-0,6mm 4
czułość (% w stosunku do 100Hz) pasmo tolerancji dokładność = 0.9 mm Przkład czujnik przemieszczeń liniowch Histereza Błęd pomiaru po eliminacji błędu czułości, offsetu i nieliniowości x = 0.6 + 0.963* + 3.63E-11* 3 x [mm] przemieszczenie obliczone na podstawie sgnału wjściowego [mv] sgnał wjściow Błąd pomiaru dx = x rzecz - x Histereza to zależność sgnału wjściowego od kierunku zmian wielkości mierzonej Czas odpowiedzi Czas, po którm sgnał osiągnie wartość zgodną z charakterstką (z założoną tolerancją), po skokowej zmianie wartości mierzonej. x x t x czujnik t Pasmo przenoszenia Zakres częstotliwości, w którm stosunek amplitud sgnału wjściowego do mierzonego nie spada poniżej założonego poziomu (zwkle 3dB) f 1 f 2 f 3 x czujnik f 1 f 2 f 3 stała czasowa czas odpowiedzi czas W teorii automatcznej regulacji odpowiada mu czas regulacji e pasmo przenoszenia 1 10 100 1000 10 4 10 5 częstotliwość (Hz) f d f g Pasmo użteczne Pasmo użteczne przkład Zakres częstotliwości, w którm stosunek amplitud sgnału wjściowego do mierzonego zawiera się w zadanch granicach czujnik drgań pasmo użteczne w 0 częstotliwość częstotliwość rezonansowa częstotliwość (Hz) 5
Dokładność Dokładność czujnika to maksmalna bezwzględna różnica międz rzeczwistą wartością mierzoną, a wznaczoną na podstawie sgnału wjściowego i charakterstki. Wrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnch. Waga właściwego doboru czujnika i całego sstemu pomiarowego Podstawowa zasada wszelkich pomiarów: GIGO (Garbage in = Garbage out)! lub dokładność = x rzecz x() dokładność = [x rzecz x()]/(x max -x min )*100% Dokładność zależ od wielu cznników związanch z określoną aplikacją (instalacją), jak zakłócenia elektrczne, termiczne, dnamiczne, nie związane bezpośrednio z samm czujnikiem. Producenci niechętnie podają dokładność, raczej różne składniki dokładności jak nieliniowość, powtarzalność, rozdzielczość, histerezę, pasmo przenoszenia. 1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i sstemów pomiarowch Plan wkładu, regulamin przedmiotu, strona www Wprowadzenie do czujników Rola pomiarów w w sstemach sstemie wtwarzania Sstem pomiarow Znaczenie pomiarów w sstemach wtwarzania Mierzone wielkości fizczne dostarczają istotnch informacji o: procesie wtwarzania (np. stabilność elektrczna w EDM, mechaniczna skrawaniu) wnikach procesu wtwarzania (np. chropowatość, wmiar) stanie istotnch materiałów (np. zużcie narzędzia, zanieczszczenie chłodziwa, poziom oleju) Znaczenie pomiarów w sstemach wtwarzania Przedmiot pomiarów i monitorowania Przedmiot obrabian: Proces obróbki: Narzędzie: Obrabiarka i wposażenie: Środowisko: Wielkości mierzone Stan zamocowania Dokładność obróbki Chropowatość powierzchni Jakość warstw wierzchniej Sił skrawania Tworzenie ciepła Temperatura Drgania Hałas Postać wiórów Położenie krawędzi skrawającej Zużcie ostrza Katastroficzne stępienie ostrza (włamania, wkruszenia itp.) Awarie Drgania Deformacje Zmian temp. otoczenia Drgania zewnętrzne Stan chłodziwa Cel pomiarów i monitorowania Zapewnienie wsokiej jakości Unikanie uszkodzeń przedmiotu i braków Utrzmanie prawidłowego procesu obróbki Przewidwanie i unikanie stanów awarjnch Określenie wielkości ruchów ustawczch Wmiana narzędzi na czas Unikanie uszkodzeń przedmiotu i narzędzi Zapewnienie poprawnej prac obrabiarki i wsokiej dokładności obróbki Minimalizacja wpłwu otoczenia na obróbkę Cznniki brane pod uwagę prz doborze czujników Pomiar: w czasie procesu, międz zabiegami/operacjami cz po procesie na obrabiarce cz poza nią ciągłe cz przerwane (okresowe) bezpośrednie cz pośrednie cznne cz bierne dotkowe cz bezdotkowe z bliska cz odległe pojednczmi czujnikami cz ich zestawem czujnikami wielofunkcjnmi cz specjalistcznmi 6
Trudności w pomiarach Trudność Pomiar w trakcie procesu/on-line Pomiar bezpośrednie Przkład Dokładność obróbki Chropowatość i jakość powierzchni Zużcie ostrza i KSO Odkształcenia termiczne obrabiarki Zużcie ostrza i KSO prz ciągłm skrawaniu Odkształcenia termiczne obrabiarki Możliwe położenia czujników monitorującch pracę obrabiarki tokarka centrum frezarskie Duża odległość międz obiektem mierzonm a czujnikiem Wpłw instalacji czujnika na proces obróbki i sztwność obrabiarki Zanieczszczone środowisko Położenie czujnika względem ostrza lub ściernic Zmniejszenie sztwności narzędzia lub obrabiarki przez instalację czujników tensometrcznch Wstępowanie chłodziwa, zakłócenia elektrczne Transmisja sgnału z obracającch się lub ruchomch elementów Złożone zależności międz różnmi cznnikami Rozmaitość sposobów i rodzajów obróbki Przekazwanie sgnału z wrzeciona, szbko przemieszczającego się stołu lub obrotowej głowic narzędziowej Właściwości mierzonego obiektu mogą zależeć od warunków obróbki, materiału ostrza, materiału obrabianego itd. Potrzebne są czujniki odpowiednie do różnch sposobów obróbki jak wiercenie, frezowanie, gwintowanie itp. na tej samej obrabiarce przedmiot obrabian 1. siłomierz płtow, 2. siłomierz tensometrczn, 3. łożsko dnamometrczne, 4. czujnik moc, 5. czujnik momentu, 6. powierzchniow czujnik AE, 7. strumieniow czujnik AE, 8. czujnik przspieszeń, 9. czujnik wbudowan w narzędzie stół przedmiot obrabian 1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i sstemów pomiarowch Plan wkładu, regulamin przedmiotu, strona www Wprowadzenie do czujników Rola pomiarów w sstemach wtwarzania Sstem pomiarow Sstem pomiarow Sstem pomiarow Podstawowm zadaniem sstemu pomiarowego jest mierzenie wielkości fizcznch wstępującch w rzeczwistm świecie. Tu będą nas interesował takie wielkości związane z wtwarzaniem, jak: położenie, odległość, przemieszczenie, prędkość liniowa i kątowa, przspieszenie, siła, moment, moc temperatura dźwięk Wspólną cechą wmienionch wielkości jest to, że są one nieelektrczne, Pomiar wielkości nieelektrcznch Tradcjnie wielkości takie mierz się odpowiednimi przrządami jak np. odległość, wmiar: przmiar, suwmiarka, linijka itp. siła: sprężna, waga itp. Wstępna obróbka sgnału Zwkle nie jest możliwe bezpośrednie wkorzstanie sgnału z czujnika potrzebn jest specjaln (dobran do czujnika) układ przgotowania (wstępnej obróbki) sgnału, mogąc także zasilać czujnik prędkość: pośrednio przez pomiar czasu i odległości temperatura: termometr rtęciow Drugi etap rozwoju technik pomiarowch to zastosowanie przrządów, w którch wartości wielkości mierzone są przetwarzane na sgnał elektrczne i np. wświetlane cfrowo cz pokazwane na wskaźniku. układ wstępnej obróbki sgnału czujnik kable uniwersalne lub specjalistczne urządzenie pomiarowe, np.: oscloskop, analizator, woltomierz itp. 7
czujniki, przetworniki Przkładowe sposob wstępnej obróbki sgnału Budowa komputerowego sstemu akwizcji danch Mostek tensometrczn Zasilanie mostka, linearzacja Drugi etap rozwoju technik pomiarowch Przgotowanie sgnałów Przetworniki piezoelektrczne Termopara Czujniki termorezstancjne Wzmacniacz ładunku Wzmocnienie, linearzacja, kompensacja zimnch złącz Zasilanie, linearzacja czujniki, przetworniki oprogramowanie Karta DAQ Trzeci etap rozwoju technik pomiarowch Akwizcja danch, karta DAQ Akwizcja danch (DAQ - Data Acquisition) to zbieranie sgnałów elektrcznch z czujników (zwkle za pośrednictwem układów wstępnego przgotowania sgnału) i wprowadzenie uzskanch danch do komputera w celu ich dalszego przetworzenia. Urządzenia (kart) DAQ zwkle są bezpośrednio połączone z wewnętrzną szną danch komputera przez gniazdo (plug-in slot). Karta DAQ nie wkonuje obliczeń, nie wznacza miar sgnału, pozostawiając to zadanie oprogramowaniu rezdującemu w komputerze. PXI PCI Współczesn sstem pomiarow Sstem akwizcji danch pomiarowch (sstem pomiarow) jest zespołem urządzeń objętch wspólnm sterowaniem i przeznaczonm do realizacji w sposób automatczn procesu pomiarowego. zjawiska fizczne Prezentacja danch to środki do łatwego, intuicjnego komunikowania się z sstemem, w celu uzskiwania informacji w dogodnej, zrozumiałej formie. PCMCIA FireWire/USB Przetwarzanie danch przekształca surowe dane w pełne znaczenia informacje. Obejmuje takie techniki jak filtrowanie cfrowe, analiz częstotliwościowe, statstczne i wiele innch operacji matematcznch Sstem akwizcji, prezentacji i przetwarzania danch Software do akwizcji danch DAQ sstem przkład siłomierz sgnał analogowe Przgotowanie sgnałów Przetwarzanie i prezentacja danch wzmacniacze Ładunku Karta DAQ PCI skrznka połączeń PCMCIA DAQcard Software do akwizcji danch 8
sgnał miar sgnałów DAQ sstem - przkład probes Wmagania stawiane sstemowi DAQ Tp sgnału (sgnałów) wejścia analogowe (AI), wjścia analogowe (AO), wejścia i wjścia cfrowe (DIO), liczniki (CTR) Probe drivers PXI Liczba kanałów I/O może określić tp sstemu i jego koszt Szbkość, dokładność Portabilność connector block SCXI Zgodność z poprzednimi wersjami oprogramowania i/lub sprzętu. Często to cznnik najbardziej krtczn! Sstem pomiarow w sstemie wtwarzania Obiekt Czujnik Struktura logiczna układu nadzoru narzędzia i PS NADZÓR AKCJA! Układ sterowania Przetwarzanie sgnałów Podejmowanie deczji Operator czujniki MONITOROWANIE DIAGNOSTYKA obróbka sgnałów filtr, statstka, FFT, RMS,... rozkaz integracja miar, diagnoza Jakieś ptania? 9