KOMPUTEROWE POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Wstep, wprowadzenie do czujnikow.pdf · “Wszelka nasza wiedza ma początek w naszych zmysłach” Leonardo da Vinci (1452-1519) „Nie

1

Prof. Krzysztof Jemielniak [email protected]

http://www.cim.pw.edu.pl/kjemielST 107, tel. 234 8656

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania

Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem

SENSORYKA

http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka

1. Wprowadzenie do czujników i systemów pomiarowych



1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i

systemów pomiarowych

• Regulamin przedmiotu, plan wykładu, strona

www

• Wprowadzenie do czujników

• Rola pomiarów w systemach wytwarzania

• System pomiarowy

Regulamin przedmiotu, plan wykładu

strona www



Regulamin przedmiotu „Sensoryka”

1. Przedmiot składa się z dwóch jednostek dydaktycznych:

• Wykład – zaliczany egzaminem

• Laboratorium – zaliczane w trakcie zajęć

2. Każda z nich oceniana jest punktowo w skali 0-50,

3. Do zaliczenia przedmiotu potrzebne jest zdobycie min. 25 punktów w

ramach każdej z tych jednostek

4. Ocena z przedmiotu jest jedna, według kryteriów:

• 0-50 2

• 51-60 3

• 61-70 3,5

• 71-80 4

• 81-90 4,5

• 91-100 5

Czyli wg wzoru:

ocena = 4*suma/max +1



„Sensoryka” w kontekście

• Poziom inżynierski

• Sensoryka – semestr 4 – nauka o czujnikach, torach

pomiarowych, przetwarzaniu sygnałów na postać

cyfrową

• Automatyczne monitorowanie i nadzór wytwarzania –

semestr 6 zastosowanie wyżej i niżej wymienionych

w praktyce przemysłowej

• Poziom magisterski

• Przetwarzanie sygnałów – semestr 1 – metody

modyfikacja sygnałów w celu uzyskania/ ulepszenia/

zmiany postaci informacji

• Wirtualne przyrządy pomiarowe – semestr 2 – nauka

programowania (kodowania) w języku LabVIEW

umożliwiająca praktyczną realizację powyższych

Hardware

– czym?

Zastosowanie

– co?

Teoria

– jak?

Software

– jak?



http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka



Plan wykładu

1. Wstęp, wprowadzenie do czujników

2. Czujniki położenia odległości i kąta

3. Czujniki drgań

4. Czujniki AE i dźwięku

5. Czujniki sił, momentów i ciśnienia

6. Czujniki temperatury

7. Budowa toru pomiarowego, wstępna obróbka sygnału i

przetwarzanie A/C

8. Case study: Badanie błędów ruchu obrotowego i

efektów termicznych w obrabiarkach

Wstęp, wprowadzenie do czujników

greenbutton.swf

greenbutton.swf

greenbutton.swf

2





• Plan wykładu, regulamin przedmiotu, strona

www




Wprowadzenie do czujników



Wszystko zaczyna się od zmysłów

“Wszelka nasza wiedza ma początek w naszych zmysłach”Leonardo da Vinci (1452-1519)

„Nie ma nic w umyśle, czego nie byłoby przedtem w zmysłach”Św. Tomasz z Akwinu (1221-1274)

Postrzeganie zmysłowe jest procesem uświadamiania sobie

lub rozumienia informacji docierających z narządów

środowisko /

otoczenie

zmysły /czujniki

mózg /komputer

zjawiska,

wielkości fizyczne

odczucia /

sygnałyreakcje

wiedza, efekty działań



Homocentryczne widzenie świata

wzrok jest naszym najważniejszym zmysłem, dostarczającym nam najwięcej informacji, ale...

owady mają dwoje oczu po powiedzmy 10,000elementów światłoczułych w każdym

umiemy posługiwać się dotykiem, ale...

karaluchy mają 30,000 włosków czułych na ruch powietrza na każdej nodze

mogą wyczuć zbliżające się obiekty bez dotykania ich

podobnie jest z innymi zmysłami

Świat oferuje znacznie więcej informacji niż my jesteśmy w stanie postrzegać zmysłami



Typy czujników

Istnieje ogromna liczba typów czujników wiele wykrywa zjawiska, których człowiek nie może wykryć

np. magnetyzm, podczerwień, ultrafiolet, ultradźwięki, faza światła itd.

Omówimy tu tylko część z nich, zwłaszcza

te, które mogą znaleźć zastosowanie

systemach wytwarzania



Czujnik – przetwornik

przetwornikWielkość fizyczna opór, napięcie

Przetwornik przekształca jedną wielkość fizyczną jak temperatura, siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektryczną jak

napięcie lub opór

Czujnik to urządzenie, zawierające obudowany przetwornik,

przewody odprowadzające sygnał itp.

masa

sejsmiczna

obudowa

przetwornik

piezoelektryczny

sygnał badany

element

Czujnik drgań (akcelerometr)



Typy czujników

• mechaniczne

• termiczne (energia kinetyczna atomów lub cząsteczek)

• elektryczne

• magnetyczne

• radiacyjne (włączając fale elektromagnetyczne, mikrofale itd.)

• chemiczne

Wyróżniamy sześć podstawowych typów czujników

(przetworników) z punktu widzenia mierzonych

sygnałów i form energii przetwarzanej przez nie:

3



Mierzone wielkości fizyczne (przykłady)

Wielkość fizyczna czujnik/przetwornik

pozycja, odległość przemieszczenie

potencjometr, czujnik indukcyjny, czujnik pojemnościowy, enkoder optyczny

siła tensometr, przetwornik piezoelektryczny

drgania, emisja akustyczna

przetwornik piezoelektryczny (akcelerometr, czujnik AE)

dźwięk mikrofon

temperatura termopara, detektor oporowy ( (RTD), termistor, itp



Specyfikacja czujnika

Dokładność: różnica między wynikiem pomiaru a

wartością rzeczywistą mierzonej wielkości

Rozdzielczość: najmniejsza zmiana wielkości

mierzonej, która może być wykryta w sygnale

wyjściowym.

wyrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych

Czułość: stosunek zmiany sygnału wyjściowego do

zmiany wielkości mierzonej

nachylenie zależności sygnału wyjściowego od wejściowego

Powtarzalność (precyzja): zdolność czujnika do

wskazywania tej samej wartości sygnału wyjściowego

przy kolejnych powtórzeniach wartości mierzonej.

mierzona parametrami rozkładu sygnału wyjściowego



Dokładność a rozdzielczość

prawdziwa wartość

wynik pomiaru

DOKŁADNOŚĆ

ROZDZIELCZOŚĆ



Precyzja bez

dokładnościDokładność bez

precyzji

Precyzja i

dokładność

Dokładność a precyzja



Charakterystyka czujnika

Zależność sygnału wyjściowego (np. napięcia) od wielkości mierzonej

Przykład: indukcyjny czujnik przemieszczeń liniowych (LVDT):



Zakres pomiarowy

Zakres pomiarowy to minimalna i maksymalna wartość mierzona: xmin ÷ xmax

tu zakres pomiarowy z = -500 ÷ +500 mm

4



Czułość czujnika

Czułością czujnika nazywamy nachylenie jego charakterystyki:

s = Dy/ Dx

Dy

Dx

tu s = 10mV/mm



Błąd czułości

Błędem czułości jest odchylenie nachylenia charakterystyki od wartości teoretycznej

tu czułość zmierzona wynosi 10.3 mV/mm



Błąd liniowości

Błąd liniowości to odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej, wyrażany najczęściej w % w stosunku do rozpiętości zakresu pomiarowego:

max

Dlin =max|xlin-xpom|____________

xmax- xmin



Offset

Offset to wartość sygnału gdy wartość mierzona jest równa 0, lub przesunięcie całej charakterystyki w górę lub w dół w stosunku do

wartości teoretycznej:

offset



Przykład – czujnik przemieszczeń liniowych

offset=-0,6mm

Błędy pomiaru, dla charakterystyki linowej, nominalnej

x [mm]= y[mV]/s; s=10 mV/mm

dokł

adność

= 1

4.9

mm

Błąd pomiaru dx = xrzecz - y/s




offset=-0,6mm

Błędy pomiaru po eliminacji błędu czułości, dla charakterystyki linowej

x [mm]= y[mV]/s; s=10.3 mV/mm

dokł

adność

= 2

.5 m

m

Błąd pomiaru dx = xrzecz - y/s

5




Błędy pomiaru po eliminacji błędu czułości, offsetu i nieliniowości

x = 0.6 + 0.963*y + 3.63E-11*y3

dokł

adność

= 0

.9 m

m

Błąd pomiaru dx = xrzecz - x

x [mm]– przemieszczenie obliczone na podstawie sygnału wyjściowego

y [mV] – sygnał wyjściowy



Histereza

Histereza to zależność sygnału wyjściowego od kierunku zmian wielkości mierzonej



Czas odpowiedzi

Czas, po którym sygnał osiągnie wartość zgodną z charakterystyką (z założoną tolerancją), po skokowej zmianie wartości mierzonej.

W teorii automatycznej regulacji odpowiada mu czas regulacji

x

t

czas

y

stała czasowa

czas odpowiedzi pa

sm

o t

ole

ran

cji

x

czujnikyx

t

y



Pasmo przenoszenia

czujnikyx

1 10 100 1000 104 105

częstotliwość (Hz)

f1

f2

f3

f1

f2

f3

fd fg

pasmo przenoszenia

e

Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału wyjściowego do mierzonego nie spada poniżej założonego poziomu

(zwykle 3dB)



Pasmo użyteczne

y

częstotliwośćw0

pasmo użyteczne

Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału wyjściowego do mierzonego zawiera się w zadanych granicach

częstotliwość rezonansowa



Pasmo użyteczne – przykład

czujnik drgań

częstotliwość (Hz)czu

łość (%

w s

tosu

nk

u d

o 1

00

Hz)

6



Dokładność

Dokładność czujnika to maksymalna bezwzględna różnica między rzeczywistą wartością mierzoną, a wyznaczoną na podstawie sygnału wyjściowego i charakterystyki.

Wyrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych.

dokładność = xrzecz – x(y)lub

dokładność = [xrzecz – x(y)]/(xmax-xmin)*100%

• Dokładność zależy od wielu czynników związanych z określoną aplikacją (instalacją), jak zakłócenia elektryczne, termiczne, dynamiczne, nie związane bezpośrednio z samym czujnikiem.

• Producenci niechętnie podają dokładność, raczej różne składniki dokładności jak nieliniowość, powtarzalność, rozdzielczość, histerezę, pasmo przenoszenia.



Waga właściwego doboru czujnika i całego

systemu pomiarowego

Podstawowa zasada wszelkich pomiarów:

GIGO (Garbage in = Garbage out)!






www




Rola pomiarów w systemie wytwarzania



Znaczenie pomiarów w systemach wytwarzania

Mierzone wielkości fizyczne dostarczają istotnych

informacji o:

• procesie wytwarzania (np. stabilność elektryczna w EDM,

mechaniczna skrawaniu)

• wynikach procesu wytwarzania (np. chropowatość,

wymiary)

• stanie istotnych materiałów (np. zużycie narzędzia,

zanieczyszczenie chłodziwa, poziom oleju)



Znaczenie pomiarów w systemach wytwarzania

Przedmiot pomiarów

i monitorowaniaWielkości mierzone Cel pomiarów i

monitorowania

Przedmiot obrabiany:

Proces obróbki:

Narzędzie:

Obrabiarka i

wyposażenie:

Środowisko:

• Stan zamocowania

• Dokładność obróbki• Chropowatość powierzchni

• Jakość warstwy wierzchniej

• Siły skrawania

• Tworzenie ciepła• Temperatura

• Drgania• Hałas

• Postać wiórów

• Położenie krawędzi skrawającej

• Zużycie ostrza• Katastroficzne stępienie ostrza

(wyłamania, wykruszenia itp.)

• Awarie

• Drgania• Deformacje

• Zmiany temp. otoczenia

• Drgania zewnętrzne• Stan chłodziwa

• Zapewnienie wysokiej jakości

• Unikanie uszkodzeń przedmiotu i braków

• Utrzymanie prawidłowego

procesu obróbki• Przewidywanie i unikanie

stanów awaryjnych

• Określenie wielkości ruchów

ustawczych• Wymiana narzędzi na czas

• Unikanie uszkodzeń przedmiotu i narzędzi

• Zapewnienie poprawnej pracy

obrabiarki i wysokiej dokładności obróbki

• Minimalizacja wpływu otoczenia

na obróbkę



Czynniki brane pod uwagę przy doborze

czujników

Pomiary:

• w czasie procesu, między zabiegami/operacjami czy po procesie

• na obrabiarce czy poza nią

• ciągłe czy przerywane (okresowe)

• bezpośrednie czy pośrednie

• czynne czy bierne

• dotykowe czy bezdotykowe

• z bliska czy odległe

• pojedynczymi czujnikami czy ich zestawem

• czujnikami wielofunkcyjnymi czy specjalistycznymi

greenbutton.swf

greenbutton.swf

greenbutton.swf

7



Trudności w pomiarach

Trudność

Pomiary w trakcie procesu/on-line

Pomiary bezpośrednie

Duża odległość między obiektem

mierzonym a czujnikiem

Wpływ instalacji czujnika na proces

obróbki i sztywność obrabiarki

Zanieczyszczone środowisko

Transmisja sygnału z obracających się

lub ruchomych elementów

Złożone zależności między różnymi

czynnikami

Rozmaitość sposobów i rodzajów obróbki

PrzykładyDokładność obróbki

Chropowatość i jakość powierzchniZużycie ostrza i KSO

Odkształcenia termiczne obrabiarki

Zużycie ostrza i KSO przy ciągłym skrawaniu

Odkształcenia termiczne obrabiarki

Położenie czujnika względem ostrza lub ściernicy

Zmniejszenie sztywności narzędzia lub obrabiarki przez

instalację czujników tensometrycznych

Występowanie chłodziwa, zakłócenia elektryczne

Przekazywanie sygnału z wrzeciona, szybko przemieszczającego

się stołu lub obrotowej głowicy narzędziowej

Właściwości mierzonego obiektu mogą zależeć od warunków

obróbki, materiału ostrza, materiału obrabianego itd.

Potrzebne są czujniki odpowiednie do różnych sposobów

obróbki jak wiercenie, frezowanie, gwintowanie itp. na tej

samej obrabiarce



Możliwe położenia czujników monitorujących

pracę obrabiarki

1. siłomierz płytowy, 2. siłomierz tensometryczny, 3. łożysko dynamometryczne,

4. czujnik mocy, 5. czujnik momentu, 6. powierzchniowy czujnik AE,

7. strumieniowy czujnik AE, 8. czujnik przyspieszeń, 9. czujnik wbudowany w narzędzie

tokarka

centrum frezarskie

przedmiot obrabiany przedmiot

obrabianystół






www



• System pomiarowySystem pomiarowy



System pomiarowy

Podstawowym zadaniem systemu pomiarowego jest mierzenie

wielkości fizycznych występujących w rzeczywistym świecie.

Tu będą nas interesowały takie wielkości związane z wytwarzaniem, jak:

• położenie, odległość, przemieszczenie,

• prędkość liniowa i kątowa, przyspieszenie,

• siła, moment, moc

• temperatura

• dźwięk

Wspólną cechą wymienionych wielkości

jest to, że są one „nieelektryczne”,



Pomiary wielkości nieelektrycznych

Tradycyjnie wielkości takie mierzy się odpowiednimi przyrządami jak np.

• odległość, wymiar: przymiar, suwmiarka, linijka itp.

• siła: sprężyna, waga itp.

• prędkość: pośrednio przez pomiar czasu i odległości

• temperatura: termometr rtęciowy

Drugi etap rozwoju technik pomiarowych to zastosowanie

przyrządów, w których wartości wielkości mierzone są

przetwarzane na sygnał elektryczne i np. wyświetlane

cyfrowo czy pokazywane na wskaźniku.



Wstępna obróbka sygnału

układ wstępnej obróbki sygnału

czujnik

uniwersalne lub specjalistyczne

urządzenie pomiarowe, np.: oscyloskop,

analizator, woltomierz itp.

kable

Zwykle nie jest możliwe bezpośrednie wykorzystanie sygnału z czujnika –

potrzebny jest specjalny (dobrany do czujnika) układ przygotowania

(wstępnej obróbki) sygnału, mogący także zasilać czujnik

greenbutton.swf

8



Przykładowe sposoby wstępnej obróbki

sygnału

Termopara

Czujniki termorezystancyjne

Mostek tensometryczny

Przetworniki piezoelektryczne

Wzmocnienie, linearyzacja, kompensacja zimnych złączy

Zasilanie,

linearyzacja

Zasilanie mostka,

linearyzacja

Wzmacniacz ładunku



Budowa komputerowego systemu akwizycji

danych

czujniki,

przetworniki

Karta DAQ

oprogramowanie

Przygotowanie

sygnałów

Trzeci etap rozwoju technik pomiarowych

Drugi etap rozwoju technik pomiarowych



Akwizycja danych, karta DAQ

Akwizycja danych (DAQ - Data Acquisition) to zbieranie sygnałów

elektrycznych z czujników (zwykle za pośrednictwem układów wstępnego

przygotowania sygnału) i wprowadzenie uzyskanych danych do komputera

w celu ich dalszego przetworzenia.

Urządzenia (karty) DAQ zwykle są bezpośrednio połączone z wewnętrzną

szyną danych komputera przez gniazdo (plug-in slot). Karta DAQ nie

wykonuje obliczeń, nie wyznacza miar sygnału, pozostawiając to zadanie

oprogramowaniu rezydującemu w komputerze.

PCMCIA

PXI PCI

FireWire/USB



Współczesny system pomiarowy

Prezentacja danych to środki do łatwego, intuicyjnego komunikowania się z systemem, w celu uzyskiwania informacji w dogodnej, zrozumiałej formie.

Przetwarzanie danych przekształca surowe dane w pełne znaczenia informacje. Obejmuje takie techniki jak filtrowanie cyfrowe, analizy częstotliwościowe, statystyczne i wiele innych operacji matematycznych

System akwizycji danych pomiarowych (system pomiarowy) jest zespołem urządzeń objętych wspólnym sterowaniem i przeznaczonym do realizacji w sposób automatyczny procesu pomiarowego.

zjawiska fizyczne



System akwizycji, prezentacji i przetwarzania danych

Przygotowanie sygnałów

czu

jnik

i, p

rze

two

rnik

i

sygnały analogowe

Karta DAQ PCI

Przetwarzanie i prezentacja danych

Software do akwizycji danych

Software do akwizycji danych



DAQ system – przykład

siłomierz

wzmacniaczeŁadunku

skrzynka połączeń

PCMCIA DAQcard

9



DAQ system - przykład

probes

Probe drivers

connector block

SCXI

PXI



Wymagania stawiane systemowi DAQ

• Typ sygnału (sygnałów) – wejścia analogowe (AI),

wyjścia analogowe (AO), wejścia i wyjścia cyfrowe

(DIO), liczniki (CTR)

• Liczba kanałów I/O – może określić typ systemu i jego

koszt

• Szybkość, dokładność

• Portabilność

• Zgodność z poprzednimi wersjami oprogramowania i/lub

sprzętu. Często to czynnik najbardziej krytyczny!



System pomiarowy w systemie wytwarzania

Czujnik

Przetwarzanie sygnałów

Obiekt

Podejmowanie decyzji

OperatorUkład sterowania



Struktura logiczna układu nadzoru narzędzia i PS

NADZÓR

DIAGNOSTYKA

MONITOROWANIE

syg

na

ły

czujnikiobróbka sygnałów

filtry, statystyka,

FFT, RMS,...

mia

ry

syg

na

łów

AKCJA !

integracja miar, diagnoza

rozkaz



Jakieś pytania?

greenbutton.swf

Documents

KOMPUTEROWE POMIARY WIELKOŚCI NIEELEKTRYCZNYCH Wstep, wprowadzenie do czujnikow.pdf · “Wszelka nasza wiedza ma początek w naszych zmysłach” Leonardo da Vinci (1452-1519) „Nie