PM

Pojęcia podstawowe

mechatroniki. Sensory

• Wprowadzenie i pojęcia podstawowe.• Mechatronika. Regulacja. Sterowanie. UAR.

System mechatroniczny. • Sygnały i układy pomiarowe. Stopień integracji.

Czujniki inteligentne. • Normalizacja sygnałów wyjściowych. • Parametry czujników. Rozdzielczość. Statyczne

błędy systemów pomiarowych.• Stopień ochrony wnętrza IP. • Wielkości pomiarowe kinematyczne i

dynamiczne. • Czujniki R,L,C. • Czujniki indukcyjne i hallotronowe i

magnetorezystancyjne

• Czujniki prędkości i połoŜenia kątowego. Optyczne inkrementalne i absolutne.

• Tensometry. • Piezoelektryczne czujniki przyspieszeń, siły,

momentu, drogi. • Czujniki ultradźwiękowe. • Czujniki wartości przepływów i ciśnienia.• Pomiary temperatury. Termistory NTC, PTC.

Czujniki półprzewodnikowe temperatury. Termopary.Pirometria

11

Części składowe mechatroniki

9

Pojęcie „Mechatronika”

10

Definicje

12

Schemat blokowy układu mechatronicznego

13

Płaszczyzny systemów mechatroniki

Przykład modelu zawieszenia aktywnego pojazdu

17

Czujniki – układy pomiarowe

18

Normalizacja sygnałów

* Analogowych: 0..+5(+10)V-5(-10)…+5(+10)V0…20mA (dead zero)4…20mA (life zero)

* Cyfrowych : równolegle (Centronics)szeregowo (RS232, RS485, USB)

21

Parametry czujników

Linearyzacja ch-k

a) w punkcie

y(x)=y0 +y’(x)(x-x0)

b) w zakresie

Błędy pomiarowe

22

Klasyfikacja stopni ochrony IP• Stopnie ochrony IP Klasyfikacja stopni ochrony urządzeń

elektrycznych zapewnianych przez obudowy według normy PN-92/E-08106.Normy identyczne: EN 60529:1991, IEC 529:1989. Odpowiedniki: VDE 0470, DIN 40050, BS 5490:1977.

Definicje: Stopie ń ochrony - miara ochrony zapewnianej przez obudowy:- przed dostępem osób do części niebezpiecznych, - przed wnikaniem obcych ciał stałych,- przed wnikaniem wody. Kod IP (Internal Protection) - system kodowego oznaczania stopni ochrony.

Przykład kodu IP: IP 54 pierwsza cyfra charakterystyczna: 5 = ochrona przed dostępem osób do niebezpiecznych części za pomocą drutu i ochrona przed pyłem,druga cyfra charakterystyczna: 4 = ochrona przed rozbryzgami wody.

24

Wielkości pomiarowe kinematyczne i dynamiczne

25

Metody potencjometryczne

Schematy połączeń

Dane

26

Czujniki pojemnościowe

s

AC r 0εε=

εr – względna przenikalność elektryczna, ε0 – stała elektryczna, A – powierzchnia płyt, s – odległość płyt

• Typowe właściwości sensorów :

• zakres pomiarowy 0,1...10mm

• rozdzielczość 0,1...10nm

• liniowość 0,01%

28

Metody indukcyjne

L0 - indukcyjność bez szczeliny ( x=0 )xm - wielkość szczeliny przy której L=1/2(L0+Lmax),tj. L przyjmuje

wartość środkową

a) dławik prosty

b) dławik róŜnicowy

30

Czujniki indukcyjne i hallotronowea) b)

b) czujniki hallotronowe.

33

Zjawisko Halla

• Q- ładunek elektryczny,• w-wektor prędkości

ładunku,• - indukcja

magnetyczna,• H- natęŜenie pola

magnetycznegosiła Lorentza F = Qw x B

Zjawiska :Rys a :Skręcenie linii sił ekwipotencjalnych(element Halla)

gdzie : -RH współczynnik Halla zaleŜny od

materiału -d grubość płytkiRys b: WydłuŜenie toru prądu w półprzewodniku przez odchylenie nośnika ładunku (płytka polowa)

gdzie:- R0 wartość RB dla BZ =0,- k stała zaleŜna od materiału i geometrii

HB rµµ0=

d

RBIU H

ZH 0=

)1( 20 ZB kBRR +=

34

Czujniki magnetorezystancyjnezasada działania

• Charakterystyka

36

Czujniki magnetorezystancyjneSchematy

• Sensorowy mostek pomiarowy

• Czujnik zintegrowany

38

Magnetorezystancyjne czujniki połoŜenia kątowego

Optyczne układy pomiaroweEnkodery inkrementalne prędkości obrotowej i

połoŜenia kątowego• Podstawowy

parametr : liczba impulsów na obrót

Sygnały wyjściowe enkodera optycznego impulsowe: L – ( low) niski , H – (high) wysoki

Optyczne układy pomiaroweEnkodery (resolwery) absolutne

prędkości obrotowej i połoŜenia kątowego

• Sygnały wyjściowe enkodera absolutnego : cyfrowe -binarne

n

• Liczba ścieŜek = n -------- Rozdzielczość 2 • Często stosuje się Gray Code (patrz tabela). Dlaczego?

Tensometryczne układy pomiarowe

Działanie:

A

lR

ρ=

gdzie : R – opór (rezystancja) tensometru ρ- oporność właściwa, l – długość przewodnika , A – przekrój przewodnika

Budowa tensometru

Budowa tensometru : a) foliowego , b) półprzewodnikowego

ZaleŜność między wydłuŜeniem ε a zmianą oporności :

εkR

R =∆

gdzie : ≈k 2 dla foliowych , ≈k 100 dla półprzewodnikowych

Mocowanie do podłoŜa : kleje utwardzane na zimno lub na gorąco

Tensometryczny układ pomiarowyPasmo przenoszenia: od zera do m

c=0ω

gdzie : c - stała spręŜystości m - masa całkowita zamocowana przed czujnikiem w kierunku siły. Układ pomiarowy: Mostek Wheatstone’a + wzmacniacz pomiarowy

B- Wzmacniacz ; C- Układ kompensacji temperaturowj Napięcie wyjściowe mostka UA :

εNkUU VA = gdzie : UV - napięcie zasilania N - współczynnik mostka=liczba tensometrów ε - wydłuŜenie

Grubowarstwowe czujniki ciśnienia• Czujnik ci śnienia w przewodzie dolotowym 20-400kPa• Czujnik ci śnienia otoczenia 60-115kPa

Mikromechaniczne czujniki ciśnienia• 1 - 3 przył ącza elektryczne• 2 -- komora pró Ŝniowa• 4 – elektroniczny chip pomiarowy(krzemowy z wytrawion ą przepon ą z naniesionymi dyfuzyjnie 4 tensometrami, przegi ęcie przepony 0.01 – 1 mm)

• 5 – cokół szklany• 6 – pokrywa• 7 – doprowadzenie ci śnienia

Typowy zakres pomiarowy 250kPa. Ciśnienie jest odniesione do próŜni a nie do otoczenia.

Tensometryczne czujniki siły o nacisku ortogonalnym

Budowa

• 1-pierścień poddawany działaniu siły

• 2-izolacja• 3-warstwa klejowo-

szklana• 4-warstwa czynna

przetwornika

• 5-izolacja• 6-pierścień nośny

Tensometryczne czujniki siły

o nacisku ortogonalnymCharakterystyki róŜnych materiałów

• 1-stop 84,5Ag+15,5Mn

• 2-manganin• 3-Cu (miedź)• 4-Au (złoto)• 5-Ag (srebro)• 6-warstwa węglowa• 7-cement

• 8-plastyk przewodzący (Conductive plastic)

Czujniki nacisku na fotelach pojazdów

Przetworniki piezoelektryczne Zjawisko proste : zmiana rozmiaru kryształów

pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego Zjawisko odwrotne : pojawienie się ładunków elektrycznych na

przeciwległych ściankach odkształcanego kryształu

Model efektu piezoelektrycznego

a)kryształ nieobciąŜony b)podłuŜny efekt piezoelektryczny

Materiały piezoelektryczne :________________

__- Monokryształy(kwarc, dwufosforanamonowy)

- Polikryształy(ceramika

zawierającaspolaryzowane ferroelektryki)

Schemat wzmacniacza ładunku dla odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego

∫ ==C

Qdtti

CU wyj )(

1

)(tidt

dQ =

Pojemność własna = 200pF Rezystancja wejściowa = 1012

Ω Stała czasowa = 200ms

Budowa i charakterystyka czujnika przyspieszenia

Częstotliwość dolna ok. 1/10 Hz Częstotliwość górna ograniczona pierwszą częstotliwością własną masy

drgającej m

m

cfo Π

=2

1

gdzie c stała spręŜystości

Piezoelektryczne czujniki przyspieszenia

w systemach bezpieczeństwa pojazdów

Piezoelektryczne czujniki siły i momentu

Prawo Hook’a

εEA

F = gdzie F -siła, A -przekrój powierzchni,

E -moduł spręŜystości (moduł Younga) , ε - wydłuŜenie Dla kwarcu E=8*1010 N/mm2 (B.DUśY)

ZaleŜność między siłą F i ładunkiem Q:

FkQ p= gdzie kp stała piezoelektryczna zaleŜy od : materiału i kąta między płaszczyznami kryształu i siłą

Dla czujnika kwarcowego z efektem podłuŜnym

N

Askp

12103,2 −•=

Napięcie wyjściowe wzmacniacz ładunku: FC

k

C

QU p

wyj ==

Piezoelektryczne czujniki kąta obrotu Budowa girometru

• 1-4 pary elementów piezoceramicznych• 5-cylinder drgający• 6-płyta podstawy• 7-nóŜki przyłącza wtykowego

Ultradźwiękowe metody pomiaroweMateriały : ceramiki piezoelektryczne, które odkształcają się podwpływem przyłoŜonego napięcia.Np. tytanian baru , polimery (PVDF)Częstotliwość pobudzenia : 20...200kHz.

Obraz sygnału czujnika ultradźwiękowego.a) przebieg czasowy b) rozkład intensywności pola dźwięku (-40dB...0dB) tzw. „maczuga” promieniowania

Charakterystyka

pola ultradźwiękowegoPoziom ciśnienia akustycznego to

0

lg20p

p dB (decybeli) ,

gdzie p0 = 2*10-5 Pa

Ultradźwięki gdy p < p0 (< 0dB). Dźwięki słyszalne gdy p0 < p < 20Pa (0dB <...< 120dB)

* Bliskie pole tzw. strefa Fresnela z oscylującym rozkładem intensywności ma długość r

λ4

2Dr =

gdzie: D- średnica ultradźwiękowego elementu drgającego, λ – długość fali

* Dalekie pole tzw. strefę Fraunhofera dla R>>r charakteryzuje : spadek intensywności jak 1/r2

Wpływ parametrów otoczenia na rozprzestrzenianie się fal dźwiękowych

Prawo falowe :

fv λ= gdzie : v – prędkość rozprzestrzeniania się, λ – długość fali, f – częstotliwość. Prędkość dźwięku v zaleŜy od temperatury otoczenia, wilgotności i ciśnienia

powietrza i wynosi około 343m/s

27310

Tvv +=

T – temperatura wKelwinach.

Wybór częstotliwości wzbudzenia dla przetwornika ultradźwiękowego

• WyŜsza rozdzielczość jest moŜliwa przy wyŜszych częstotliwościach

• Pochłanianie ultradźwięków rośnie ze wzrostem częstotliwości ze względu na większe tarcie wewnętrzne w ośrodku

• Konieczny jest kompromis pomiędzy rozdzielczością i pochłanianiem dźwięku.

Schemat blokowy

sondy ultradźwiękowej

Algorytm: I. Mikrokontroler wł ącza przetwornik na nadawanie i wysyła sekwencję drgań II. Rozpoczyna się pomiar czasu przez licznik impulsów wzorcowych. III. Mikrokontroler przeł ącza układ na odbiór i odbiera sygnał echa poprzez wzmacniacz i filtr pasmowy chroniący przed błędami obcego dźwięku IV. Następuje zatrzymanie licznika pomiaru czasu i dalsza obróbka.

Ultradźwiękowe czujniki parkowania

Przykład obliczania odległości od przeszkody za pomocą czujnikaultrad źwiękowego o f=40kHz : a=0,5t·c,

gdzie : t-czas od wysłania sygnału do powrotu echa, c=342m/sZakres wykrywania : 0,25m ...1,5m

Pomiary przepływówobjętościowe i masowe

1 - Przepływ laminarny, gdy Re poniŜej wartości 2100. 2 - Przepływ turbulentny, gdy Re powyŜej tej wartości.

Profil pr ędkości v(r) w strumieniu charakteryzuje liczba podobieństwa Reynoldsa

ην D

Re =

gdzie : D – średnica strumienia, η –kinematyczna lepkość medium, ν – prędkość średnia strumienia. Przepływ objętościowy (m3/h)

AQv ν=

Przepływ masowy (kg/h) AQm ρν=

gdzie : A- pole powierzchni przekroju poprzecznego, ρ – gęstość jednorodna

Przepływomierze ciśnienioweWydatek jest średnią wydatku obj. i masowego

mst QQconstconstQ ννρ ==

Równanie ciągłości strugi ( zachowania masy)

constAA == 222111 νρνρ Równanie Bernouliego (zachowania energii)

constp =+=+ 2222

2111 2

1 νρρνρ

Dla ρ1=ρ2=ρ moŜna wykazać, Ŝe :

−=∆

21

22

2 11

AAQp v ρ

Termoanemometry drutowe charakterystyka - układ regulacji

∆Θ== λcRIW Hel2

gdzie : λ- przewodność cieplna drutu, ∆θ – róŜnica temperatur Prąd grzejny : IH=f(QM)

Przepływomierze spiętrzająceobjętościowe

• 1-skrzydło spiętrzające

• 2-czujnik temperatury• 3-przyłącze elektryczne• 4-potencjometr

przetwarzający połoŜenie kątowe na napięcie elektryczne

• 5-obszar tłumiący• 6-skrzydło

kompensacyjne

Zasady pomiaru temperatury za

pomocą termistorów

Przetwarzanie napięciowe:

vRTR

TRUTU

+=

)()(

)( 0

Przetwarzanie prądowe: )()( 0 TRITU =

Zwykle

)( ov TRR ≈ dla T0=20 st.C

Termistory NTC

• Wykonane ze spieków ceramicznych w kształcie perełkowym (a) lub płytkowym (b)

• Stromość ch-ki (TK) zaleŜna silnie od punktu pracy

• Wartość rezystancji zmienia się o 4..5 rzędów

• Pomiary w przedziale ok..200K wybieranego z zakresu -40…800st.C

Charakterystyka NTC

−

= 0

11

0)( TTB

eRTR gdzie : R0=R(T0), B=2000…5000K = const

Stromo ść charakterystyki

2T

BTK −=

Termistory PTCcharakterystyka – współczynniki temperaturowe

Charakterystyka PTC

( )[ ]...1)( 20 +∆+∆−= TTRTR βα

gdzie : ∆T=T-T0 , α- liniowy współczynnik temperaturowy (TK), β – kwadratowy współczynnik temperaturowy ( zwykle b.mały, ale nie zawsze do pominięcia) Uśredniona warto ść nachylenia :

( ) ( )( ) KCR

CRCRTK

1000

0100100 0

00

⋅−=

Półprzewodnikowe czujniki

temperaturyAlternatywa dla termistorów NTC i PTC Współczynnik temperaturowy dodatni Względnie liniowa charakterystyka temperaturowa. Zakres temperatur standardowo od -55OC do 150OC (moŜliwe300OC)

Przekrój kryształu. Wymiar chipa : 500 x 500 x 240µm

Charakterystyki półprzewodnikowych czujników temperatury

RT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref )2]

lubRT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref )

2-C( T-TI )D]

gdzie: RT – rezystancja w temperaturze T, Rref – rezystancja w temp. odniesienia Tref = 25OC (100OC dla KTY84) A,B,C,D – współczynniki zaleŜne od typu sensora C=O dla T<TI ; TI = 100OC (250OC dla KTY84)

Układ pomiarowy termoparyA,B- termoramiona

( 2 zlutowanepółprzewodniki lub przewodniki)

• 1- miejsce pomiaru ,spoina• 2- głowica przyłącza• 3- przewody kompensacyjne• 4- wolne (zimne) końce• 5- przewód przyłącza• TM- temp. mierzona• TR- temp. Odniesienia

Siła termoelektrycznaUth = c (TM - TR )

Termoelementy (termopary)Efekt Seebecka Napięcia termoelektryczne

( )12 TTcU th −=c-stała termoelektrycznaT2 -spoina, T1 -zimne końceNapięcie Uth [mV/100st.C] jestodnoszone do platyny jakomateriału bazowego

Bezstykowe pomiary temperaturypirometria

• Do bezstykowych pomiarów temperatury ciał stałych wykorzystywane jest emitowane przez nie w temperaturze powyŜej 0K promieniowanie elektromagnetyczne, mikrofalowe (najczęściej podczerwone)

• Mierzony jest iloczyn mocy promieniowania i współczynnika emisji ciała

• Długość fali 5…20mikrometrów• Stosowane są zarówno metody fotometryczne

(bolometr) jak i termoelektryczne (termopara)

Czujniki obrazumatryca termowizyjna

• 1- chip krzemowy• 2- piksel• 3-4 – przyłącza

- „gorące” punkty na membranie termicznie izolowanej

- „zimne” punkty na brzegu chipa - upuście ciepła