Senzori________________________________________________________________________

1

3. SENZORI

Ako su aktuatori „miši i“, onda su senzori „ ula“ svakog mehatroni kog sistema. Svakimehatroni ki sistem obavezno uklju uje senzorsku, upravlja ku i aktuatorsku jedinicu.U takvom sistemu, senzorska jedinica ima zadatak da informiše kontrolnu jedinicu otome šta se trenutno doga a u sistemu. Na osnovu tih informacija i željenog ponašanjasistema kontrolna jedinica daje zadatke aktuatorskoj jedinici o tome koje aktivnosti jepotrebno preduzeti tako da bi stvarno ponašanje sistema bilo što bliže (ili ako je mogu eindenti no) željenom ponašanju.

Prema tome, senzori su ure aji koji na osnovu promjene fizikalnih veli ina na ulazu(temperatura, kretanje, sila, pritisak, itd) proizvode srazmjerne izlazne signale(elektri ne, mehani ke, itd). Ako se signali definišu kao materijalni nosioci informacijeraznih fizikalnih veli ina, onda se senzori mogu definisati kao pretvara i jednog oblikasignala (energije) u drugi oblik. Ovo pretvaranje je uvijek na niskom energetskomnivou, itj. na nformacionom nivou. Zato se termini „pretvara “ (eng. transducer) i senzoresto koriste kao sinonimi. Tako na primjer, temperaturni senzor termopar na promjenu

temperature na ulazu odgovara srazmjernom promjenom elektri nog napona na izlazu.Ovo pretvaranje se može shvatiti u smislu mjerenja, jer je izlazna veli ina ustvari mjeraulazne veli ine – mjerene veli ine.

Postoji mnogo na ina na koji se može realizovati senzor neke fizikalne veli ine. Naprimjer, za mjerenje ugla zakretanja možemo koristiti ili potenciometar ili opti ki enkoder.Koji od njih koristiti to zavisi od konkretnog sistema gdje se senzor koristi i od uslovaekspolatacije sistema i senzora. Ako je u pitanju ugao zakretanja leptira karburatoraonda je, zbog uslova eksploatacije motora i mogu nosti ugradnje, lakše koristitipotenciometar, a ako je u pitanju mjerenje ugla zakretanja stola glodalice onda je, zbogzakretanja koja su ve a od 3600, esto povoljnije koristiti enkoder. To je razlog što seza mjerenje iste fizikalne veli ine koriste razli ite vrste senzora, odnosno razli iti principipretvaranja jedne fizikalne veli ine u drugu. Priroda je nepresušan izvor ideja i principana kojima su stvoreni savršeni senzori. Zadatak tehnike i tehnologije je da je, izme uostalog, i po pitanju realizacije senzora oponaša.

Prema mjernoj veli ini senzori se dijele na:

1. Senzori pomjeranja (translacija i rotacija) potenciometri linearni/rotacioni promjenljivi diferencijalni pretvara i (LVDT/RVDT) opti ki enkoder tahometar senzori na principu Holovog efekta kapacitativni pretvara interferometar žiroskop indoksin

2. Senzori blizine grani ni prekida i opti ki senzori blizina

Senzori________________________________________________________________________

2

senzori blizine na bazi Holovog efekta induktivni senzori kapacitativni senzori

3. Senzori ubrzanja (akcelorimetri) seizmi ki akcelerometar piezoelektri ni akcelorimetar

4. Senzori sile, momenta i pritiska mjerne trake senzori naprezanja dinamometar piezoelektri ni senzor optere enja ultrazvu ni senzori

5. Temperaturni senzori termoparovi termistori termodiode, termotranzistori otporni senzori infracrveni senzori

6. Senzori protoka pito cijev mjerna blenda venturijeva cijev rotacioni mjera protoka turbinski mjera protoka elektromagnetni mjera protoka

7. Svjetlosni senzori fotototpornici fototranzistori fotodiode CCD senzori

8. Senzori od pametnih materijala opti ka vlakna piezoelektri niž magnetostriktivni

9. Mikro i nano senzori mikro CCD senzori slike ultrazvu ni mikro senzori mikro senzori dodira

Postoji razli iti nivoi realizacije senzora. Naj eš e se oni pojavljuju samo kao pretvara isignala, dok su ostali elementi, kao što je prilago avanje i poja avanje izlaza senzora ,smješteni u drugom dijelu sistema kao posebne jedinice. Me utim, esto je zajedno sa

Senzori________________________________________________________________________

3

pretvara em signala u isto ku ište integrisano analogo poja alo, vidi sliku 3.1 tomslu aju takav senzor se naziva integrisani senzor. Ako je pored analognog poja ala uistom ku ištu smješten A/D konverter i mikrokontroler, onda takav senzor u skladu sasoftverom u mikrokontroleru ( C ) može da komunicira sa spoljnim svijetom i dasamostalno donosi neke odluke. Zbog toga se takav senzor naziva intiligentni senzor.Sa napredkom mikroelektronike, te zbog masovne proizvodnje C i njihove niskecijene, broj inteligentnih senzora stalno raste.

AD

pretvara -senzor

integrisani senzorintiligentni senzor

iz

lazn

a ve

liin

a(a

nalo

gna/

digi

taln

a)

analognopoja alo

analogni signal

digitalni signal

primarnaelektri naveli ina

ulaz

nave

liin

a

C

Definicije karakteristi nih veli ina senzora

Prije nego što krenemo sa predstavljanjem razli itih tipova senzora definišimo nekeveli ine kao što su: mjerno podru je, rezolucija, osjetljivost, greška, ponovljivost, ta nost,mrtva zona, itd. Ove veli ine karakterišu mjerne sposobnosti i prilagodljivost senzora zapojedine primjene. Definišimo neke od njih.

Mjerno podru je je razlika izme u maksimalne i minimalne ulazne vrijednosti za kojee senzor dati pravi izlaz. Ovu vrijednost deklariše proizvo . Na primjer termopar koji

mjeri temperaturu od -50 0C do 750 0C ima mjerno podru je 800 0C.

Rezolucija je najmanja promjena (prirast) ulazne veli ine koju senzor može registrovati.Tako inkrementalni enkoder sa 1024 impulsa po obrtaju ima rezoluciju

1 obrtaj 360 stepena stepen0.35161024 impulsa 1 obrtaj impulsu

.

Osjetljivost senzora se definiše kao promjena izlaza za promjenu ulaza. Za analognisenzor osjetljivost je u uskoj vezi sa nagibom tangente na ulaznu izlaznu karakteristikusenzora. Za digitalni senzor osjetljivost zavisi od rezolucije senzora.

Greška senzora se definiše kao razlika izme u izmjerene i prave vrijednosti. Postojerazli iti razlozi koji dovode do greške, kao što su: greška kalibracije, greška zbogoptere enja izlaza, greška zbog osjetljivosti senzora na djelovanja drugih veli ina (npr.kod promjene optere enja pomo u mjerne trake na otpor trake uti e i temperatura a nesamo promjena otpora zbog optere enja - izduženje).

Slika 3.1

Senzori________________________________________________________________________

4

Ponovljivost se odnosi na sposobnost senzora da da identi an izlaz za iste vrijednostiulazne veli ine.

Ta nost senzora je obrnuto srezmjerna grešci, odnosno ta nost je ve a ako je greškamanja.

Mrtva zona je podru je ulaza koja su bliska nuli a za koje je izlaz senzora nula. Ovajosobina ini senzore nelinearnim u jednom diujelu njihove karakteristike. Ona je u uskojvezi sa nekim drugim nelinearnim osobinama kao što je histereza.

Senzori pomjeranja

Potenciometri

Jedan od naj eš e korištenih senzora pomjeranja je svakako potenciometar. Javlja se udvije osnovne izvedbe: sa rotacionim i lionearnim pomjeranjem. Pomo u njega serotaciona ili linearna pomjeranja pretvaraju u napon ija je vrijednost srazjerna tompomjeranju. Potenciometar se sastoji od otpornog sloja i kliza a, slika 3.2.1 a) i c).Preko fiksnog otpornog sloja klizi kliza dijele i tako ukupan otpor potenciometra na dvadijela. Ova dva dijela ine otpotno naponsko djelilo slika 3.2.1 d) desno. Neka je optporpotenciometra ACR R , napon napajanja cV i neka se ugao zakretanja mjeri izme uta ke C i pozicije kliza a. Ako otporni sloj ima konstantan otpor po jedinici dužine ondaje otpor izme u kliza a i ta ke C jednak (otporni sloj je izra en od homogenogmaterijala tako da je otpor po jedinici dužine konstantan ), dok je otpor izme u kliza a ita ke A jednak R . Napon na izlazu potenciometra, napon izme u ta aka CB jedefinisan kao

c ci

V VVR R

,

odakle je o igledno da je izlazni napon srazjeran uglu zakretanja , jer su sve ostaleveli ine u gornje izrazu konstantne samo se ugao mijenja.

A sada razmotrim slu aj o kojem naro ito treba voditi ra una kod korištenjapotenciometra. Radi jednostavnijeg objašnjenja pretpostavimo da potenciometar imaotpor od 10 k sa naponom napajanja od 10V. Neka se dalje kliza potenciometra

a) Rotacioni pot. b) el. oznaka c) linearni pot.

otpornimaterijal kliza

R

d) otporno djelilo

Slika 3.2.1

Senzori________________________________________________________________________

5

nalazi na sredini otpornog sloja, što zna i da je otporno djelilo sa injeno od dva istaotpora od po 5 k , tako da je napon na izlazu polovina napona napajnja, dakle 5V . Akose sada potenciometar priklju i na poja alo ija je ulazna otpornost 100 k , slika 3.2.1d) lijevo. Donji otpor od 5 k i ulazni otpor poja ala od 100 k su paralelno vezani tako

da je ukupni donji otpor5 1005 ||100 4.76105dR k . Sada je izlazni napon

10 4.76 4.885 4.76iV V . Dakle, priklju ak poja ala, koje je u ovom sliu aju

optere enje potenciometra, dovodi do greške od 0.12V. Da je ulazni otpor poja ala biove i, npr. 1000 k , onda bi greška bila svega 0.01V. Dakle, smanjenjem optere enja(pove anjem ulazne otpornosti poja ala) smanjuje se i greška. Ovaj slu aj možemopoopštiti za bilo koji senzor iji je izlazni otpor sR a koji je priklju en na poja alo ulaznogotpora pR , slika 3.2.2 (oznake otpora na slici 3.2.2 su evropske a

na slici 3.2.1 su ameri ke). Neka senzor generiše napon sV ijaje vrijednost mjera ulazne veli ine. U tom slu aju izlaz senzora(napon kojeg poja alo poja ava) nije napon sV nego napon

si p

s p

VV RR R

. Razlika s iV V je ss i s

s p

RV V VR R

, što je za

velike vrijednosti pR i male vrijednosti sR zanemarivo malo, odnosno tada je i sV V .Iz gornjeg razmatranja zaklju ujemo da je greška usled optere enja manja ako je izlaznaotpornost senzora što manja i ulazna otpornost poja ala što ve a. Kod svakog senzorao ovom se mora voditi ra una, jer ina e može do i do velikih grešaka. Poredpotenciometara sa slike 3.2.1 koriste se i ži ani potenciometri, slika 3.2.3.One se izra uju namotavanjem žice natorusno jezgro. Imaju prednost uodnosu na potenciometre sa slike 3.2.1(slojne potenciometre) jer se otporniji nahabanje i imaju duži vijek trajanja.Poternciometri sa slike 3.2.1 po praviluimaju ugao zakretanja manji od 3600.Ako se kod ži anog potenciometraumjesto na torus žica namota na spiralu,onda se lako realizuju potenciometri kojiimaju puno ve i ugao zakretanja, koji mogu biti i do 20 obrtaja. Ži ani potenciometriimaju stepenastu karakteristiku, pri emu je najmanja razlika izme u dvije stepenicejednaka otporu R jednog namotaja žice oko torusa. Tako e, i njihova osjetljivost irezolucija ne može biti manja od R . Kod ovih potenciometara pojavljuje se problemusled preskakanja kliza a sa jednog namotaja na drugi, što se manifestujekratkrotrajnim prekidima. Ovaj problem se riješava pomo u niskopropusnog filtra(kondezator od kliza a prema masi, koji se u momentu prekida prazni, što za eksterneure aje izgleda kao da prekid ne postoji).Dobre osobine poternciometra su: jednostavna konstrukcija, niska cijena, široko mjernopodru je, otporni su na smetnje i relativno dobre temperaturne osobine, dok sunedostaci: habanje, promjena otpora usled varijacije pritska kliza a i osjetljivost naprljavštine. Izvor ve ine loših osobina potenciometra je postojanje kontaktne površine

Rs

Vs

ViRp

Slika 3.2.2

Slika 3.2.3

Senzori________________________________________________________________________

6

izme u kliza a i otpornog sloja. Ipak, uzimaju i u obzir i dobre i loše osobine,potenciometri se i danas primjenjuju u mnogim mehatroni kim sistemima.

Linearni promjenljivi diferencijalni transformator (LVDT)

LVDT (skra enica od engleskog naziva: linear variable differential transformer) je senzorvisoke rezolucije kod kojeg je amplituda izlaznog AC napona srazmjerna linearnompomjeranju. Za razliku od potenciometra, ovaj senzor nema kontaktnu površinu, tako dai pored malog mjernog podru ja (oko 5cm) ima široku primjenu u mnogim sistemima,naro ito tamo gdje je u pitanju registracija malih pomjeranja, koja su ve a od mikropodru ja.

Sastoji se od trna - kliza a koji je vrsto spregnut sa dijelom sistema ije je pomjeranjepotrebno registovati. Oka trna (koji je izra en od feromagnetnog materijala) supostavljena tri namotaja, jedan primarni koji je postavljen na sredinu trna i dvasekundarna namotaja na krajevima, slika 3.2.4. Sekundarni namotaji imaju suprotansmjer namotavanja. Kroz primarni namotaj proti e naizmjeni na struja frekvencije do10kH , ije magnetno polje se prenosi preko trna i u sekundarnim namotajima izazivaindukovanu struje koje, zbog razli itog smjera namotavanja, imaju suprotne faze.Amplituda napona indukovane struje zavisi od ja ine polja u sekundarnim namotajima,

Slika 3.2.4

a) LVDT sa trnom u sredini

b) trn lijevo c) trn u centru d) trn desno

primarni

sekundar 1 sekundar 2

Senzori________________________________________________________________________

7

što opet zavisi od pomjeranja trna. Ako je trn u centru, onda su naponi 1V i 2Vindukovani u sekundarima iste amplitude i suprotne faze, tako da je njihov zbir nula

0netV , vidi sliku 3.2.4 c). Razmotrimo šta se dešava ako se trn pomjei lijevo ili desno.Ako se trn pomjeri lijevo, tada je napon indukovan u sekundaru 1 po amplitudi ve i odnapona indukovanog u sekundaru 2, što uslovljava da je njihov zbir razli it od nule i imafazu kao sekundar 1, slika 3.2.4 b). Sli no, ako se trn pomjeri desno od centra, onda jenapon 2V po amplitudi ve i od 1V , što ini da njihov zbir nije nula, i da ima fazu kaonapon 2V , slika 3.2.4 d). Dakle, od veli ine pomjeranja trna zavisi amplituda rezultuje-eg napona a od njegove faze zavisi smjer kretanja trna.

Za mjerenje rotacionog pomjeranja koristi se RVDT (rotary variable differentialtransformer). On je funkcionalno identi an LVDT senzoru, s tim da trn rotira od 00 do1800.Oblik rezultuje eg napona netV koji je mjera pomjeranje, u obliku koji se dobija saLVDT/RVDT nije podesan za korištenje u ostalim dijelovima mehatroni kog sistema. Tose prevazilazi pretvaranjem izlanog napona LVDT/RVDT senzora u DC napon ija jevrijednost srazmjerna amplitudi a predznak fazi napona netV . Za to se koriste posebnorazvijena integrisana kola. Jedno od njih je AD698 proizvo a Analog Devices ija je

blok šema data na slici 3.2.5. Ovo kolo sadrži oscilator napona primarnog namotaja,fayno osjetljivog ispravlja a (koji ispravlja napon netV ), filtra i poja ala. Na izlazu poja alaje DC ija vrijednost je srazmjerna pomjeranju a znak smjeru pomjeranja.

Opti ki enkoder

U opštem slu aju opti ke enkodere bi mogli definisati kao ure aje koji konvertujukretanje u povorku digitalnih impulsa. Pojedina nim brojanjem bitova ili dekodiranjemskupa bita, impulsi mogu biti konvertovani u relativnu ili absolutnu mjeru pozicije.Enkoderi se izra uju kao linearni ili rotacioni. Rotacioni enkoderi se eš e primjenjujutako da emo u nastavku posmatrati samo njih, sa napomenom da sve što vrijedi zarotacione vrijedi i za linearne enkodere. Rotacioni enkoderi se proizvode u dva osnovnaoblika: absolutni enkoder, gdje jedinstvena digitalna rije odgovara svakoj poziciji u kojojse enkoder može na i, i inkrementalne enkodere, koji prilikom rotacije proizvodeimpulse ijim brojanjem je omogu eno relativno mjerenje pozicije. Rotacioni enkoder

Slika 3.2.5

Senzori________________________________________________________________________

8

imaju dva osnovna dijela: rotacioni disk– kodni disk i jedan ili više svjetlosnihsenzora sa injenih od para fotodioda-fototranzistor (FDT par). Rotacioni diskje izra en od providnog materijala(plastika ili staklo) pri emu sufotopostupkom nanešeni radijalni tamnizarezi orga-nizovani kao trake, slika3.2.6. Za svaku traku postoji posebanFDT par, pri emu, prilikom rotacije,tamni zarezi prekidaju a nezatamljenipropuštaju snop svijetlosti izme u diodei tranzistora, što dalje izazivagenerisanje povorke impulsa nafototranzistoru.

Absolutni enkoderRotacioni disk kod absolutnog enkodera je napravljen tako da za N razli itih pozicije(uglova) osovine proizvodi jedinstvenu digitalnu rije . Na primjer, ako rotacioni disk ima8 koncentri nih traka, onda on može proizvesti 256 odvojenih pozicija (digitalnih brojeva)ili sa rezolucijom po uglu od 1.4060 , jer je 3600/256=1.4060. Pri tome na in kodiranjapozicija može biti razli it. U praksi se eš e izra uju absolutni enkoderi sa Grejovimkodom negi sa prirodnim binarnim kodom. Razloge emo objasniti u nastavku a zaslu aj absolutnog enkodera sa 16 pozicija (4 trake), vidi sliku 3.2.7.

Ako se kod absolutnog enkodera koristi binarni kod (slika 3.2.7 a)), onda kod ve inepromjena pozicija dolazi do promjene više bitova istovremeno, što je za promjenuizme u pozicije 7 i 8 prikazano na slici 3.2.7 b). Ako bi FDT parovi bili postavljeniidealno (na istoj radijalnoj liniji) i ako bi kodna plo a bila idealno izra ena onda to ne biizazivalo nikakve probleme. Me utim, u praksi je to nemogu e, tako da zbog grešakakod izrade ili pak vibracija prilikom rada može se desiti da se FDT parovi nisu naradijalnoj liniji tako da e se pri prelasku, na primjer, sa pozicije 7 na poziciju 8, bit B3(slika 3.2.7 b)) promjenuti prije ostalih. To e generisati da je vrijednost izlaza binarno1111, što predstavlja poziciju 15 a ne 8 kako je u stvarnosti. Isto se dešava ako se i nekidrugi bit promjeni prije ostralih (npr. ako se bit B0 promjeni prije, to generiše rije 0110

Slika 3.2.6

trake

osovina

fototranzistor

fotodiode

disk

a) binarnic) Grejov kod

b) promjena izme upozicije 7 i pozicje 8sa binarnokodiranim diskom

Slika 3.2.7

diska rotira, FDTparovi su stacionarni

Senzori________________________________________________________________________

9

što je opet broj 6, itd). Ako se umjesto binarno kodirane rotacione plo e koristi rotacionaplo a kodirana Grejovim kodom to se ne može desiti, jer je osobina Grejovog koda da jebroj promjena bita izme u dvije susjedne rije i uvijek jedan, vidi sliku 3.2.7 c). Po tomkodu, brojevi 7 i 8 decimalno su redom brojevi 0100 i 1100 binarno. Izme u njih semijenja samo bit B3, dok ostali imaju iste vrijednosti. Ako se mijenja samo jedan bitonda se ne može govoriti o slu aju da se neki bit mijenja prije ili kasnije. Prilikomkorištenja absolutnog enkodera sa Grejovim kodom, u ra unarskom dijelumehatroni kog sistema, potrebno je Grejov kod pretvoriti u prirodni binarni kod. Za topostoje vrlo jednostavni algoritmi.

Inkrementalni enkoderInkrementalni enkoder, poznat još i kao relativni enkoder, je jedniostavniji za odabsolutnog enkodera. Izra uje se od jedna trake sa dva FDT para ili dvije trake sa pojednim FDT parom. U bilo kojoj od dvije prethodne izvedbe bitno je naglasiti da susignali sa senzora (FDT par) me usobno pomaknuti (zakrenuti) za ¼ periode (tj. za 900

ako je perioda 3600), slika 3.2.8 a).

Svaki od FDT parova prilikom rotacije diska generiše povorku pravougaonih impulsa, V1i V2 na slici 3.2.8, koie nazivamo kanalima. Broj zareza u jednoj traci odre uje rezolucijuenkodera dok se preko redoslijeda opadanja nivoa signala na kanalu odre uje smjerrotacije diska. Tako, ako impuls prvo opada na kanalu V2 a zatim na kanalu V1, onda jesmjer rotacije suprotan kazaljci na satu (CCW-smjer, counterclock wise), slika 3.2.8b).U slu aju da prvo pada nivo na kanalu V1, a zatim na kanalu V2, onda je rotacija diska u

u ovom slu aju 3600 ozna ava1 ciklus, od po etka jednog zarezado po etka slede eg

disk

smjerrotacije

vode ivode i

pomo u dva FDT paraodre ujemosmjer rotacije

oblik izlaza nakanalim za CCWsmjer

oblik izlaza nakanalima za CWsmjer

Slika 3.2.8

Senzori________________________________________________________________________

10

smjeru kazaljke na satu (CW-smjer, clock wise). Za prepoznavanje smjera koristi seposebna logika, koja se može realizovati ili hardverski ili softverski. Jedan od na inahardverske realizacije pomo u D flip-flopa dat je na slici 3.2.9. esto se na istom diskupostavlja još jedan senzor (FDT par) koji se nalazi na traci sa samo jednim zarezom,tako da se za jedan obrtaj diskageneriše samo jedan impuls.Ovaj kanal služi za registracijubroja obrtaja (do broja obrtaja semože i bez ovog kanalabrojanjem impulsa sa nekog odkanala V1 ili V2). Tako e ovajkanal je koristan i za odre ivanjapo etne pozicije – nulte pozicije.

Inkrementalni enkoderi se izra uju sa vrlo velikimrezolucijama, i do 1024 impulsa po traci. Kombinacijomviše traka koje su me usobno pomaknute broj impulsapo obrtaju se može višestruko pove ati, te time irezolucija. Na slici 3.2.10. data je fotografija jednogtakvog rotacionog inkrementalnog enkodera sarezolucijom do 0.0450 iji je pre nik svega 12mm.Za razliku od absolutnih enkodera, kod inkrementalnogenkodera je nužan broja , jer se stvarna pozicijaodre uje brojanjem impulsa od nulte pozicije, pri emuse mora uzeti u obzir smjer brojanja. Brojanje semože realizovati ili softverski ili hardverski. Danas svakiPLC ima takozvani broja ki ulaz gdje se priklju ujeinkerementalni enkoder.

Magnetostriktivni senzor pomjeranja

Mjerenje pomjeranja magnetostriktivnom metodom je metoda novijeg datuma. Ima velikimjerni opseg ( i do nekoliko metara , tipi no 2m ), veliku ta nost i rezoluciju. To jebeskontaktna metoda tako da se esto koristi za mjerenje visine te nosti. Za mjerenje se

koristi magnetostriktivniefekat, tj. da neki materijali uprisustvu magnetnog polja sedeformišu. Na slici 3.2.11 jeprikazana sonda za mjerenjevisine te nosti pomo u ovemetode. Sonda se sastoji odmagnetostriktivne žice (1),elektronike (2) saultrazvu nim prijemnikom.Žica je smještena u metalnušipku na koju je navu enprstenasti plovak koji plutana te nosti iji se nivo mjeri Ina kojem se nalazi stalnimagnet (4) u obliku prstena.Kada se kroz žicu (1) u

jednom trenutku pošalje kratak strujni impuls on stvara magnetno polje (3) koje putuje

brojanazad

brojanaprijed

Slika 3.2.9

Slika 3.2.10

Slika 3.2.11

Senzori________________________________________________________________________

11

zajedno sa impulsom. Dolazi do interakcije tog polja i polja stalnog magneta, što zaposledicu ima torzionu deformaciju žice (5) na mjestu na kojem je magnet. Ovadeformacija proitvodi ultrazvu ni talas koji putuje kroz cijev do ultrazvu nog prijemnika.Mjerenjem vremena koje je proteklo izmežu generisanja strujnog impulsa I trenutka kadaje primljen ultrazvu ni talas i znaju i brzinu prostiranja ultrazvuka kroz poznatu sredinu(metalna cijev) ra una se pozicija na žici gdje je došlo do torzione deformacije, odnosnoutvr uje se visina te nosti. Ovaj postupak u ponovi nekoliko desetina hiljada puta i na esrednja vrijednost.

Senzori za mjerenje ugaone brzine

Ugaona brzina se uglavnom ra una kao odnos promjene ugla u jedinici vremena. U tomslu aju se pomo u ve opisanih senzora rotacionog pomjeranja mjeri promjena ugla zaneko unaprijed odre eno vrijeme. Na primjer, ako je u trenutku 1 1 sec.t ugao

1 /18 rad a u trenutku 2 3 sec.t izmjeren je ugao 2 / 6 rad , onda jeugaona brzina

2 1

2 1

/ 6 /183 2 18 sec

radt t t

.Pored ovog na ina za mjerenja ugonebrzine koriste se tahometri. Na slici 3.2.12dat je opti ki tahometar. Na osovini je naneki na in postavljen materijal koji reflektujeinfracrvenu svjetlost. Na tu površinu jeusmjeren snop infracrvene svjetlosti koji sepri nailasku te oznake reflektuje doprijemnog dijela. Na taj na in se broji brojprimljenih impulsa u jedinici vremena, npr.za 1min. Tada taj broj predstavlja broj

obrtaja osovine u minuti.

Za mjerenje broja obrtaja radilece u automobilskom motorukoristi se tahometar od nazubljenog rotora ( toothed rotortachometar ), slika 3.2.13. U suštini on je jako sli anopti kom enkoderu s tim da se kao senzor koristi induktivnidava . Pri nailasku zuba rotora neposredno ispod senzorau senzoru se mijenja magnetno polje, što se manifestujepove anjem indukovane struje u namotaju. To se daljeregistruje kao impuls.

Za mjerenje ugaone brzine, naro ito u elektromotornimjednosmjernim pogonima, koriste se DC tahometri. Kod njihje indukovani napon srazmjeran broju obrtaja. Obi no je to

3V za 1000 obrtaja/min. To zna i da ako motor ima broj obrtaja od 0 do 6000obrtaja/min, onda e tahohenerator dati izlay od 0 do 18V. Ovi tahometri se koriste kaomjerni lanovi u povratnim vezama analognih brzinskih regulatora pomenutihjednosmjernih elektromotornih pogona.

induktivnisenzor

rotor

Slika 3.2.13

Slika 3.2.12

reflektor

fotodetektor

izvor svjetla

Senzori________________________________________________________________________

12

3.3. Senzori blizine

U mnogim mehatroni kim sistemima potrebno je registrovati samo da su pojedinakretanja ostvarena, bez mjerenja vrijednosti pomjeranja. U tom slu aju možemo koristitisenzore blizine, jer su oni jednostavniji i jeftiniji od senzora pomjeranja. Od senzorablizine u nastavku emo opisati grani ni prekida i senzore blizine na bazi Holovog (Hall)efekta.

Grani ni prekidaGrani ni prekida i se koriste za detekciju krajnjeg položaja nekog naizmjeni nogkretanja. Na primjer, kod kretanja pneumatskog ili hidrauli nog cilindra. Postoji višena ina aktiviranja prekida a u krajnjoj poziciji. Danas se mnogo koriste tkzv. ridprekida i, koji se aktiviraju prisustvom magnetnog polja u njihovoj blizini. Ako su grani niprekida i uklju eni u neki digitalni upravlja ki sistem, onda treba voditi ra una da se umomentu spajanja ili odvajanja kontakata generiše povorka impulsa (zbog elasti nostipera koji nose kontakte), poznato kao “istitravanje kontakata”. Ova može dati pogrešnuinformaciju, jer izglada kao da se prekida otvara i zatvara. Postoji više hardverskih isoftverskih tehnika kojima se ovaj efekat eleminiše.

Senzor na bazi Holovog efektaHolov efekat je otkriven 1879. od strane E.H. Hall. On je primjetio da se u nekimvrstama bakra indukuje struja kad im seprimakne magnet. Danas se ovi senzoriproizvode od poluprovodni kih materijala, slika3.3.1. Na slici je sa HV ozna en indukovaniHolov napon, a sa I je ozna ena struja u ravnikoja je okomita na ravan u kojoj se indukuje

HV . Zbog robustnosti i temperaturne otpornostiovi senzori se dosta koriste u avtomobilskojindustriji za mjerenje pozicije koljenastog vratilai bregaste osovine.

3.4 Senzori ubrzanja

Ovi senzori se još nazivaju akcelerometri i služe za mjerenje ubrzanja. Koriste se zamjerenje vibracija, u avio industriji i u automobilskoj industriji za registraciju naglepromjene brzine (ko ioni sistem, kontrola dinami kestabilnosti vozila, aktiviranje vazdušnih jastuka u slu ajusudara, itd). Kod njihove izrade koristi se reazli iti fizikalniprincipi tako da postoje: kapacitativni, induktivni,piezoelektri ni, otporni (pomu u mjernih traka), itd. Na slici3.4.1 prikazan je piezoelektri ni akcelerometar. On sesastoji od dvije PZT plo e i tijela mase m izme u tihplo a. U slu aju promjene brzine, masa zbog inercijenastoji na nastavi kretanje istom brzinom kao uprethodnom trenutku. Zbog toga, a zavisno od znaka

Slika 3.3.1

Slika 3.4.1

Senzori________________________________________________________________________

13

promjene brzine (ubrzanje ili usporenje), masa e pritiskivati jedan od PZT kristala, kojie generisati napon koji je srazmjeran sili pritiskanja. Kako je opet sila srazmjerna

ubrzanju ( F ma ) a masa je konstantna, što zna i da je generisani napon srazmjeranubrzanju.

3.5 Senzori sile, momenta i pritiska

Najjednostavnije mjerenje sile je pomo u opruge. Metod se bazirana injenici da je u nekom podru ju istezanje opruge srazmjernosili koja na nju djeluje. Na taj na in mjerenjem istezanja, tj.pomjeranja, pomo u ve opisanih senzora pomjeranja, možemjeriti sila. Ovaj na in mjerenja je najrasprostranjniji i sa njim sesvakodnevno sre emo. U nastavku emo opisati i neke drugemetode mjerenja sile.

Za mjerenje sile koristi se Hukov zakon po kojem je sila F ,F x , gdje je konstanta i zavisi od vrste materijala a x jeizduženje ili skra enje koje je posledica dejstva sile. Prema tomemjerenje sile se svodi na mjerenje dužine x , jer je konstanta.Ovo pomjeranje je vrlo malo i za njega se ne mogu koristiti ranijeizloženi senzori pomjeranja. Za mjerenje ovog pomjeranja koriste se mjerne trake. Ovetrake su ustvari otpornici napravljeni od žice velike dužine i malog presjeka. Njihov otporu neoptere enom stanju je oko 120 . Izra uju se specijalnim postupkom štampe napapirnoj traci, vidi sliku 3.5.1. Trake se nalijepe na površinu iju deformaciju mjerimo. Dabi se izbjegla zavisnost otpora trake od temeperature, na isti predmet se postavlja

identi na traka kojasluži kao kompen-zaciona traka. Onaje postavljena ta-ko da se prilikomdeformacije mate-rijala promjenanjenog otpora upore enju sa prom-jenom otpora aktiv-ne trake možezanemariti (aktivnatraka se deformiše

po dužini tako da je ukupna promjena dužine žice mjerne trake umnožak te deformacije ibroja uzdužnih dijelova, dok se kompenzaciona traka deformiše po širini što je znatnomanje, vidi 3.4.1). Obe mjerne trake su spojene u Vinstonov most koji je uneoptere enom stanju uravnotežen otporima 1R i 2R , dok su otpori aktivne Ikompenzacione mjerne trake ozna eni GR i DR redom. Naponi 1V i 2V na dijagonali

mosta su:G

Gs

RRRVV

11 i

D

Ds

RRRVV

22 , dok je njihova razlika (koja se poja ava) data

kao

Slika 3.5.1

aktivna traka

kompenzaciona traka

a) postavljanje traka b) interfejs sa mostom

sila izlaz sila

Slika 3.5.2

Senzori________________________________________________________________________

14

D

D

G

Gs RR

RRR

RVVVV

2121 .

Ako se otpori 1R i 2R odaberu tako da su jednaki otporu R neoptere ene trake, tj.

RRRR D21 i neka je kod optere enja RRRG , onda jeRR

RVV s 24.

Vrijednost R2 u nazivniku gornje jedna ine se može zanemariti u odnosu navrijednost 4R , tako da se dobija

44s

s

R R VV VR R V

.

Promjena napona V se poja ava poja alom poja anja A , tako da je izlazni nalon

V A V , kojeg je lako mjeriti. S druge strane, relativna promjena otporaR

R je

srazmjerna relativnoj promjeni dužine otporne žice u mjernoj tracil x

l l, odnosno

4

s

R x R lVx lR l R AV

. Iz promjene dužine x i znaju i konstantu materijala

ra unamo silu4

s

lVFAV

.

Kod ovih senzora proizvo daje katakteristiku GF (mjerni faktor) iz kojeg se ra una

elongacijaRGF

R, na osnovu koje i Jungovog modula elesti nosti E ra una sila po

jedinici površine kao, E , odakle se dalje ra una sila kao F A , A površina.

Za mjerenje sile koriste se i kapacitativni i piezoelektri ni senzori. Kod kapacitativnih,radni element senzora su dvije plo e površine S na rastojanju h izme u kojih je izolatorrelativne dijalektri ne konstante r i dijalektri ke konstane vakuma o . Ove plo e ine

kondezator iji je kapacitet o rSCh

. Usled dejstva sile mijenja se rastojanje h , što

opet izaziva promjenu kapaciteta. Promjene kapaciteta se lako pretvaraju u promjenufrekvencije, što se dalje može lako detektovati i mjeriti. Ovi senzori su vrlo osjetljivi, aizra uju se za razli ita mjerna podru ja, od najmanjih do najve ih.Rad piezoelektri nih senzora sile bazira se na fenomenu da se u neki materijalinaelektrišu ako na njih djeluje sila. Vrijednosti ovog naelektrisanja su srazmjerna sile.Dakle, mjerenjem napona (što je vrlo jednostavno) mjeri se sila.

Senzori momenta i pritiskaMjerenje obrtnog momenta i pritisaka se uglavnomsvodi na prethodno mjerenje sile, odakle se moment ipritisak dalje ra unaju. Pored toga, za mjerenjepritiska postoje i neki drugi senzori pri emu se pritisakmjeri mjerenjem pomjeranja. Tipi an predstavnik tegrupe senzora je Burdonova cijev, slika 3.5.3.Dejstvom pritiska, cijev sa slike 3.5.3 se ispravlja (jer

profil visokog pritiska

profil bezpritiska

pritisak

Slika 3.5.3

Senzori________________________________________________________________________

15

su površine unutar cijevi na koje djeluje pritisak razli ite, pa otuda se javlja sila kojispravlja cijev ), što izaziva pomjeranje zatvorenog kraja cijevi. Ako je ispravljanjesrazmjerno pritisku u cijevi, tada mjerenjem pomjeranja ustvari mjerimo pritisak. Ovisenzori su jako jednostavni za konstrukciju i jeftini su. esto se pomjeranje zatvorenogkraja cijevi pretvara u rotaciono kretanje, koje preko kazaljke i skale, daje informaciju opritisku.

3.6 Temperaturni senzori

Kod ve ine mehatroni kih sistema potrebno je mjeriti temperaturu, ako ni zbog egadrugog, onda radi temperaturne kompenzacije kod mjerenja drugih veli ina.Temperaturni senzori daju izlaz koji je proporcionalan temperaturi. Kod nekih materijalapri porastu temperature raste i izlaz (što je poželjna osobina), a kod nekih opet kodporasta temperature opada izlaz. U prvom slu aju kažemo da ti materijali imaju pozitivantemperaturni koeficijent a u drugom slu aju da imaju negativan temperaturni koeficijent.

Svakako najrasprostranjeniji temperaturni senzor je bimetalni temperaturni senzor, ilikra e „bimetal“. Rad ovog senzora se zasniva na osobini da se materijali razli ito šire naistoj temperaturi, odnosno materijali imaju razli ite temperaturne koeficijente. Ako se dvatakva materijala vrsto spoje tako da ine elesti no pero, onda se to pero kod porastatemperature savija na stranu materijala sa manjim temperaturnim koeficijentom. Ovosavijanje proizvodi silu koja dalje može da aktivira neki prekida , koji dalje aktiviraaktuator. Na stranu gdje se materijal savija može se postaviti opruga, pri emu sepodešavanjem prednapona opruge postiže da se aktiviranje prekida a doga a prirazli itim temperaturama. Ovakvi bimetali se danas uglavnom koriste u aparatima zadoma instvo (štednjaci, pegle, itd). Pored širenja metala, za izradu ovih regulatora sekoriste regulatori u kojima se kao senzor koristi živa ili alkohol. Oni su zatvoreni u cijev,koja se kod pove anja temperature širi, tj. izdužuje i savija. Specjalnim konstrukcijamapostiže se da ovo savijanje aktivira prekida pri odre enim i unaprijed zadatimtemperaturama.Ovi senzori se uglavnom koriste kod dvopoložajnih regulatora (on/off) i za manjetemperature. Oni se ne mogu koristiti u proporcionalnoj tehnici i za mjerenje ve ihtemperatura. Za proporcionalnu tehniku koristimo druge senzore kao što su: termopar iotporni temperaturni detektor, RTD senzor.

TermoparTermopar je razvijen prije 100 godina. Koristi se osobina da spoj dva razli ita materijala(željezo – konstantan, platina - rodijum) pri zagrijavanju generiše napon koji jesrazmjeran temperaturi. Od žica ovih materila se prave dva spoja, topli i hladni. Toplispoj je na mjestu gdje se mjeri temperatura a hladni je na sobnoj ili nekoj drugojpoznatoj temperaturi, vidi sliku 3.6.1. Spoj žeeljezo – konstantan generiše naponsku ra-

+ +_ _

Vnet

VnetVhot Vcold

Vcold

+_Vhotželjezoželjezo

bakartoplispoj

toplispojhladni

spojhladni spoj

konstantankonstantan

Senzori________________________________________________________________________

16

zliku od 35 0/V F (mikrovolti po stepenu farenhajta). To se doga a na oba kraja žicaod ovih materijala. Spojem kao na slici 3.6.1 a) i b) ukupan napon netV se dobija kaorazlika napona na toplom hotV i hladnom coldV kraju, tj. net hot coldV V V , odnosno

hot net coldV V V . Dakle, da bi izmjerili temperaturu toplog kraja treba odrediti napon

hotV , a da bi njega odredilitreba znati i napon netV inapon coldV . Napon netVpoja avamo i mjerimo, dokje napon coldV potrebnoodrediti na neki drugina in. Jedan od na ina jeda hladni kraj postavimona poznatu temperaturu,npr. mješavina vode i leda( 00 C ), jer za poznatetemperature napon coldV

poznat. Ovo esto može biti nezgodno za realizaciju, tako da se koriste drugi na ini.Jedan ot tih je temperaturna kompenzacija pomo u, što je prikazano na slici 3.6.2.Ovdje se kompenzacija vrši promjenom pada napona PN spoja diode koja je mehani kipri vrš ena na hladni kraj senzora (tamo gdje se bakar spaja se senzorom, vidi sliku3.6.1), tako da im je temperatura ista.Termoparovi služe za mjerenje visokih temperatura. Sonda sa termoparom željezo-konstantan se koristi do 20000C, dok se sonda platina-rodijum koristi i do 30000C.

RTD senzorRad ovih senzora se bazira na injenici da kod mnogih materijala sa porastomtemperature raste i otpor. Tako npr. žici od platine otpora 1 , za svako pove anje

temperature od 10C otpor se pove a za0.0039 . Ako je ta žica otpora 100 ,onda e se njen otpor pove avati za

00.39 / C . To zna i da e dobropoznata tempereturna sonda PT100koja je ura ena od platine (vidi sliku3.6.3) i iji otpor za 00C je 100 , natemperaturi od 1000C imati otpor 139 .Razli itim povezivanjem (npr. Vinstonovmost) postiže se da se ove otpornepromjene pretvaraju u naponske, kojese lakše mjere i koriste u ostalim

djelovima mehatroni kog sistema.

Integrisani temperaturni senzori

a) b)Slika 3.6.1

Diodakompenziratemperaturuokoline

topli spojSlika 3.6.2

namotaji žiceod platine

Slika 3.6.3

Senzori________________________________________________________________________

17

Ve smo rekli da je temperatura veli ina koja se esto potrebno mjeriti. Zbog toga jerazvijeno više integrisanih senzora. Jedan od njih je LM 35, koji služi za mjerenjetemperature od -55 0C do 150 0C i koji daje izlaz od 10mV/0C. Ta zna i da je njegov izlazna temperaturi od 250C jednak 0.250 V. Isto tako, IC oznake AD 7414 je digitalnitemperaturni senzor sa 10-bitnim A/D konverterom i serijskim interfejsom. Imamogu nost programiranja dva temperaturna limita, donjeg i gornjeg, o ijem dostizanjupreko jednog pina obavještava spoljni svijet.

3.7 Senzori protoka

Protok je veli ina koja se esto mjeri. Mjerenje protoka se bazira na više principa, priemu emo se u nastavku upoznati sa nekim od njih: mjerenje pritiska, turbinski mjera i

protoka, mjerenje protoka preko temperature i ultrazvu ni mjera i protoka.

Mjerenje protoka bazirano na mjerenju pritiskaJedan od njih je mjerna blenda. U cijev kroz koju te e fluid iji se protok mjeri unosi seprsten kod kojeg je spoljni pre nik isti kao unutrašnji pre nik cijevi a unutrašnji krug imapovršinu A koja je manja od unutrašnje površine cijevi, slika 3.7.1. Mjerenjem pritiska

prije 2p i poslije 1p prstena (mjerneblende) protok Q se ra una kao

2 12gQ CA p p , gdje su: C-

koeficijent koji zavisi od blende i fluida,g - gravitaciono ubrzanje i gustina

fluida. Tako e, kod Venturijeve cijevi (slika 3.7.2 a)) i Pito cijevi (slika 3..2 b)) se koristesli ni principi

Turbinski mjera i protokaKod ovih senzora postoji turbina kod koje se je broj obrtaja srazmjeran brzini fluida. Broj

obrtaja se mjeri brojanjemimpulsa koji se generišuprolaskom magneta naturbini pokraj nepokretnogHolovog senzora. Na tajna in mjerimo brzinu fuida

Slika 3.7.1

dinami kipritisak

stati ki pritisak

nizak pritisak

Slika 3.7.2

Holov senzor

Slika 3.7.3

Senzori________________________________________________________________________

18

kroz cijev, odakle znaju i još popre ni presjek ra inamo protok. Postoje tako e imaseni mjera i protoka, kod kojih turbina napravi jedan obrtaj ako je mrotok fluida masem . Za protok mase 2m turbina napravi 2 obrtaja, 3m turbina napravi 3 obrtaja itd.,tako da mjerenjem broja obrtaja mjerimo i protok.

Mjerenje protoka preko temperatureOvaj princip mjerenja se koristi kod automobila za mjerenje protoka vazduha u usisnojgrani, slika 3.7.4. Senzor ima dvije žice od kojih se jedna zagrijava na poznatu

temperaturu zT koja je puno ve a odokolne temperature vazduha ovT . Drugažica u senzoru se ne zagrijava. Njenatemperatura je na temperaturi okoline isluži za kompenzaciju. Prolaskomvazduha kroz senzor zagrijana žica sehladi. Ve i protok izaziva ve e hla enje.Elektri ni otpor ovih žica u nominalnomstanju je R i cR . Prilikom hla enja otporzagrijane žice se mijenja, tako da se sadamjerenje protoka svodi na mjerenjeelektri nog otpora, odnosno napona jednedijagonale Vinstonovog mosta. Iz tog

napona se ra una protok.

Ultrazvu ni mjera protokaUltrazvu ni mjera i protoka nemaju potrošnih elemenata, tako da im je životni vijekneograni en. Ovi mjera i protoka se komercijalno prvi put pojavljuju prije 40 godina. Poprincipu rada sijele se na: na principu Doplerovog efekta i mjerenjem vremena prolaza.U nastavku emo ukratko opisati oba ova mjera a protoka. Rad ovog mjera a se bazirana Doplerovom frekventnom pomaku, tj. promjeni frekvencije nekog talasa zaposmatra a ako se on relativno kre e u odnosu na izvor talasa. U ovom slu ajuultrazvu ni izvor talasa emituje talas frekvencije 1MHz, i usmjerava ga na fluid iji seprotok ispituje pod nekim uglom. Jedan dio ultrazvu ne energije se reflektuje odakusti nih diskontinuiteta kao što su: mjehuri i, uklju ci, vrtlozi, itd. Razlika u frekvencijiizme u odaslane i primljene frekvencije je srazmjerna brzini kretanja fluida. Kad jebrzina utvr ena onda se na osnovu nje dalje ra una protok. promljenih.

Ilustracija mjera a protoka samjerenjem vremena prolaza jedata na slici 3.7.5. Postoje dvaultrazvu na pretvara a, predajni iprijemni koji su montirani nasuprotnim stranama cijevi krozkoju se mjeri protok. Predajniultrazvu ni izvor šalje zvuk kojise prolazi kroz medij i dolazi uprijemni dio. Vrijeme prostiranjatalasa kroz fluid je

2

2 coslvTc

, gdje je v -brzina

Slika 3.7.4

Slika 3.7.5

Senzori________________________________________________________________________

19

fluida a c - brzina ultrazvuka kroz fluid (koja je poznata i konstantna). Mjerenjemvremena T iz gornje jedna ine se ra una brzina fluida v , ije poznavanje uzpoznavanje geometrije cijevi omogu ava ra unanje protoka.

3.8 Mikrosenzori

Mikrosenzori (poznati još i kao MEMS senzori)su minijaturne verzije klasi nih senzora. Timese smanjuje cijena i poboljšavaju performanse.Na slici 3.8.1 je dat jedan takav senzor zamjerenje protoka. Pri tome se protok ra unapreko razlika pritisaka 2 1p p p , što se opetmjeri na osnovu promjena kapacitetakondenzatora, vidi sliku 3.8.1.

Na sli an na in se proizvode senzori ostalihfizikalnih veli ina: sila, temperatura, pritisak,ubrzanje, itd. Pri tome se kao pretvara i signala najviše koriste kapacitativni ili piezopretvara i, jer je njih najlakše integrisati.

Slika 3.8.1