SNÍMAČE A MERACIE ČLENY POLOHY štruktúry, vyhodnocovanie signálov, vlastnosti a oblasti použitia

PRS04/24/23 1Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy

SNÍMAČE A MERACIE SNÍMAČE A MERACIE ČLENY POLOHYČLENY POLOHY

štruktúry, vyhodnocovanie štruktúry, vyhodnocovanie signálov, vlastnosti a oblasti signálov, vlastnosti a oblasti

použitiapoužitia

PRS04/24/23 1Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –

XXskriptá SaPskriptá SaP


Snímače a meracie členy polohy

PRS04/24/23 2Snímače a prevodníky –Snímače a prevodníky –

• Meranie polohy, výchylky, posunutia a vzdialenosti, sledovanie prítomnosti predmetov a ich počítanie - častý výskyt v automatizačných úlohách, aplikácie v robotických a rôznych pohybových zariadeniach, napr. aj v kinematických častiach akčných členov

• Zásadné rozšírenie snímania polohy a odvodených procesných veličín priniesla automatizácia nespojitých výrobných procesov, ktorých reprezentantom je hlavne strojárenská výroba (obrábacie stroje, výrobné linky,...)

• Spojité a nespojité snímače polohy - metrologické a prevádzkové vlastnosti, oblasti použitia jednotlivých snímačov

X


X


Spojité snímače polohy

Spojité snímače polohy a odvodených procesných veličín sú charakterizované analógovým signálom na výstupe

• odporové snímače • indukčné snímače – vlastná indukčnosť• indukčné – transformátorové, vzájomná indukčnosť• kapacitné snímače



Spojité odporové snímače • Odporové (potenciometrické) snímače so spojitým výstupným signálom

patria do skupiny pasívnych meracích prvkov a sú vhodné na priame meranie, napr. polohy prvku mechanickej zostavy alebo na meranie neelektrických veličín, ktoré sa dajú transformovať na zmenu polohy, čiže na posunutie

Konštrukčné riešenia odporových snímačov polohy s kruhovou dráhou

potenciometer s jedným odporovým vodičom

odporový vodič navinutý na nosnej podložke

stupňovitá odporová dráha

odporová dráha tvorená elektrolytom


Schémy zapojenia potenciometrických snímačov polohy

posunu pootočenia

Pre nezaťažený potenciometer platí kU.resp,xkU 22

pričom konštanta úmernosti k je určená pomerom max

max2

max

max2

U

xUk

Reálna hodnota odporu záťaže Rz spôsobuje odchýlku od lineárneho priebehu zaťažovacej charakteristiky, tj. napäťovú chybu potenciometrického snímača

X Skriptá SaP


Meracie členy tejto skupiny transformujú mechanickú veličinu na zmenu vlastnej indukčnosti (indukčné, inductive, pasívne) alebo na zmenu vzájomnej indukčnosti (indukčné, transformátorové, transformer, aktívne). Indukčné snímače tvoria pracovnú časť skupiny snímačov sily, tlaku, ale hlavne polohy, posunutia, uhlu natočenia, otáčok, počítania alebo sledovania prítomnosti predmetov, a pod.

Indukčné snímače vlastná indukčnosť

Ak prechádza časovo nestály magnetický tok cievkou s N závitmi, indukuje sa v cievke svorkové napätie

1s);weber(Wb;Vdt

dNu

Indukčné snímače


základná rovnica pre vlastnú indukčnosť

A;Wb;HRN

INL

m

2

Pre celkový magnetický odpor Rm cievky snímača na obr. platí rovnica

vžm RRR kde Rž je magnetický odpor feromagnetického jadra, tj.

magneticky vodivých častí obvodu Rv magnetický odpor vzduchovej medzery

Indukčný snímač s premennou vzduchovou medzerou a jeho charakteristikaX XXskriptá SaPskriptá SaP


Do kategórie indukčných snímačov patria tiež snímače využívajúce závislosť indukčnosti cievky na prúdovej hustote vírivých prúdov. Vírivé prúdy vytvorené vysokofrekvenčným magnetickým poľom v elektricky vodivom materiáli vybudia v tomto objekte sekundárne magnetické pole Hv. Intenzita tohoto poľa pôsobí proti intenzite poľa H budiacej cievky (Lenzov zákon). Zmenšuje sa intenzita pôvodného poľa, čo charakterizuje názov týchto snímačov, tj. s potlačením poľa

Princíp indukčného snímača s vírivými prúdmi

Indukčný snímač s vírivými prúdmi

2

h v

ρ – merný el. odporμ – permeabilita sledovaného predmetu, ω – kruh. frekvencia



Indukčné snímače pracujú na princípe vzájomnej indukčnosti, podobne ako transformátory, preto sa častejšie nazývajú transformátorové.

Na vyhodnocovanie posunu realizovaného pohybovou skrutkou, tj. uhla natočenia v kovoobrábacích strojoch, sa často používa resolver (indukčný fázový menič, špeciálny polohový otočný transformátor)

Resolver

Indukčné - transformátorové snímačevzájomná indukčnosť

ro tor

stator

u (t) = k U cos s in t2

u (t) = k U s in sin t1

u(t) = U sin t

dtIdM

dtdu 1

1212

2

12m

2112 R

NNM

Dve cievky Presnosť merania uhlu pootočenia rotora sa pohybuje od (0,05 až 5) % z rozsahu pri pracovných obrátkach do 6000 za min.



Induktosyn Induktosyn sa používa na presné meranie veľkých lineárnych alebo

uhlových výchyliek hlavne v kovoobrábacích strojochOpäť sa jedná o špeciálny polohový transformátor

Princíp induktosyna

L

d

U 2výstup

u (t)=U sin t11

bežec

pravítko

v

v

x

u (t)=U cos t12

pravítko

tcosUktsinsintcoscosUktututu 22212

Vyhodnocovanie posuvu x sa zmenilo na elektronické vyhodnocovanie fázového posunu (nezávislý na pracovnej frekvencii a amplitúde) presne merateľný - prechody nulou napájacieho a indukovaného napätia)

Dĺžka pravítka lineárnych induktosynov 200 až 300 milimetrov a merací systém pracuje s absolútnou chybou 6 m až 1,5 m



Kapacitné snímače

C R izd

Základ kapacitných snímačov tvorí dvoj alebo viacelektródový systém kondenzátorov s premenlivými parametrami, ktoré sa menia pôsobením sledovanej napr. neelektrickej veličiny.

Kapacitný snímač, jeho náhradné schémy

Pre kapacitu jednoduchého rovinného kondenzátora platí

dSC r0

kde S je plocha elektród, d vzdialenosť elektród, r pomerná permitivita, 0 permitivita vákua (8,854.10-12 F.m-1).

R /2v L /2v

R /2v L /2v

C v R ivC R iz



Aby nedochádzalo k ovplyvňovaniu vlastností snímača zmenou elektrických parametrov prívodov v dôsledku zmeny ich polohy, teploty, vlhkosti a pod., musia byť splnené tieto podmienky

vivizvv

C1,R,R

C1L,R

Ak je možné zanedbať vplyvy spôsobné veličinami Rv, Lv, Riz, Cv na zmenu kapacity meracieho kondenzátora C, potom vo všeobecnosti platí rovnica pre zmenu kapacity meracieho kondenzátora

dddCdCdS

SCdC

V prevádzkovej meracej technike sa najčastejšie uplatňuje zmena d a S.

X


Kapacitný snímač polohy

Kapacitný snímač polohy je tvorený kondenzátorom, ktorý sa skladá z dvoch, prípadne viacerých elektród, pričom aspoň jedna z nich je pohyblivá. Tieto snímače sa uplatňujú hlavne pri meraní polohy a posunutia v rozsahoch mikrometrov a milimetrov.

Kapacitné snímače polohy sa delia na:

• snímače pracujúce so zmenou vzdialeností elektród, • snímače pracujúce so zmenou prekrytia plôch elektród, • snímače, pri ktorých sa mení hrúbka alebo plocha

dielektrika.

Najjednoduchší tvar kapacitného snímača posunutia predstavuje jednoduchý doskový kondenzátor s premennou medzerou medzi jeho elektródami

)x(dSC


Jednoduchý kapacitný snímač a snímač s izolačnou vrstvou a ich prevodové charakteristiky


Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia

Dif. kapacitný snímač konštrukciadiferenciálne zapojenie -2x(linear., kompen., citlivosť)

xSC


Princíp magnetostrikčných snímačov Magnetostrikčné snímače (princíp objavil Jacob Tellerman v roku 1975) sú vyrábané v dĺžkach od 10 mm až do 20 m. Absol. chyba menšia ako ±0.02 mm

Interakcia medzi axiálnym magnetickým poľom p.m. a magnetickým poľom vodiča, vyslaný krátky prúdový impulz (13s), mechanické stáčanie drôtu - nadzvuková vlna s rýchlosťou 2830 m/s (vlnovod), vlna sa šíri s konštantnou rýchlosťou, nezávislá od teploty, znečistenia a necitlivá na otrasy




Nespojité snímače polohy

• nespojité odporové snímače (elektrokontaktné) • oscilátorové snímače• magnetické snímače, snímače s Hallovou

sondou • optoelektronické snímače • optrónové snímače• relatívne (inkrementálne) snímače• absolútne (číslicové) snímače


Nespojité odporové snímače (elektrokontaktné)

Snímače tejto skupiny sa vyznačujú tým, že menia zmenu polohy alebo posunutia na skokovú zmenu svojho odporu prepínaním kontaktu

Princíp kontaktného snímača a závislosť odporu na posunutí x

Aktívny kontakt môže byť ovládaný buď:• priamo, čiže mechanickým posunutím prvku, ktorého poloha sa

sníma • nepriamo, tj. cez prevod sledovanej procesnej veličiny na posunutie


€


Základné usporiadanie kontaktov

X


Oscilátorové snímače

Sú to bezdotykové väčšinou indukčné snímače, najčastejšie spínacieho typu (binárny výstup). Základný typ je realizovaný ako oscilátor s rezonančným obvodom, ktorý sa zatlmí pri priblížení elektricky vodivého telesa. Oscilátor môže pracovať v dvoch možných režimoch a to tak, že sa v závislosti od polohy meraného telesa amplitúda signálu mení buď skokom alebo spojito

Prevodová charakteristika oscilátorových snímačov, spojité vyhodnocovanie



Bloková schéma oscilátorového snímača

Z konštrukčného a funkčného hľadiska možno rozdeliť oscilátorové snímače na : • približovacie

· • priechodové

základné typy oscilátorových snímačov

X



BAW M12MG2-ICC20B-BP_ _ _ _-GS04M 12Sl = 0,5...2 mm4...20mA

Analogové indukčné snímače s vylepšenou linearitou – BAW

Firma Baluff rozšiřuje řadu analogových snímačů malých rozměrů. Snímače BAW využívají zákaznické obvody ASIC (Aplication Specific Integrated Circuit). Významně vylepšena byla jejich linearita. Rozsah, v němž má snímač lineární převodní charakteristiku, je nyní shodný s celým pracovním rozsahem a je téměř třikrát větší než dříve. Chyba způsobena teplotním driftem je menší než 1 % v celého rozsahu pracovních teplot. Snímače BAW jsou ideální pro měření vzdáleností,snímání otáček rotujících objektů apod.



Indukčný snímač pre bezdotykové meranie vzdialenosti


Optoelektronické snímače Do tejto skupiny snímačov patria prvky citlivé na svetlo, čiže na svetelnú energiu najmä z oblasti vlnových dĺžok viditeľného žiarenia, tj. (380 až 760) nm. Základnými stavebnými časťami optoelektronických meracích členov sú prvky na sledovanie intenzity svetla (fotometria – fotorezistor, fotodióda, fototranzistor), prvky s fotolaterálnym javom (polohová citlivosť) a nábojom viazané prvky (kamery CCD) – predmet SS v CIM

Bloková schéma optoelektronického snímača

Podľa druhu napájacieho signálu sa optoelektronické MČ delia na:

napájané elektrickým prúdom

napájané svetelným tokom (svetlovodné snímače)


Optrónové snímače

Pod označením optrón sa rozumie optoelektronický systém, tj. spojenie zdroja svetla a snímača svetelného žiarenia do jedného celku, do tzv. optrónovej dvojice. Takto sa vytvorí jednoduchý elektrooptický štvorpól.

Optrónový snímač neelektrickej veličiny

Podľa vzájomného postavenia meraného objektu a snímača možno optrónové snímače charakterizovať ako (intenzitné):

• priechodné• reflexné• kombinované


Základné druhy optrónových snímačov

typ I typH

typ V typ Y


Relatívne (inkrementálne) snímače

Relatívne (inkrementálne, prírastkové) snímače patria medzi optoelektronické meracie systémy, ktoré transformujú mechanickú veličinu (napr. pootočenie, posunutie) na elektrický nespojitý, najčastejšie impulzný signál. Z tohoto dôvodu sú tieto snímače veľmi vhodné pre číslicové spracovanie informácií pretože nevyžadujú AD prevodník.

Každá nasledujúca sledovaná poloha je teda daná počtom dráhových prírastkov voči predchádzajúcej polohe.

.kxx 0

kde x je nová poloha, x0 je predchádzajúca (referenčná) poloha k je počet dráhových prírastkov – impulzov


Princíp inkrementálneho snímača polohy s presvetlovaním

•sklenené lineárne alebo otočné pravítko - 1•na pravítku sú paralelné priehľadné a nepriehľadné prúžky – 2•nad pravítkom nepohyblivá clona 3 s rovnakou geometriou prúžkov ako na pravítku


Svetelný tok v meracom systéme

6 1 35 7

2 4

•sklenené lineárne alebo otočné pravítko - 1•na pravítku sú paralelné priehľadné a nepriehľadné prúžky – 2•nepohyblivé clony 3 s rovnakou geometriou prúžkov ako na pravítku•špeciálna žiarovka alebo LED diódy 6•úprava toku svetla (4-clona, 5-optika)•vyhodnocovacie fotodiódy 7X


Vyhodnocovanie smeru posuvu, signály A,B3

1

5A B

Logickýobvod

Vratnépočítadlo

1) sm er +„ “A

B

A

B

p

m

2) sm er „-“ p

m

p, sm er +„ “

m , sm er „-“

C

- +

Delenie okolo λ= 7μm – až 36 000prúžkov Špičkové prevedenie:chýba merania ±0,05 μm


Absolútne (číslicové) snímačeTento snímač sa nazýva polohový absolútny, lebo je to vlastne

priamy AD prevodník poloha/číslo. To znamená, že sa poloha vyhodnocuje v tvare číslicového signálu čo reprezentuje jeho hlavnú výhodu. Základ absolútneho snímača polohy tvorí kódovací prvok, na ktorom je vyjadrená číslicová informácia vhodným číslicovým kódom. Z hľadiska funkčných vlastností je dôležité riešenie vyhodnocovacieho optoelektronického systému, ale aj výber vhodného kódu.

Kódovací pás a kotúč s binárnym kódom

Binárny, Grayov kód alebo optika

kódový kotúč o priemere 100 mm 17 dvojkových rádov, tj. 131 072 dekadických jednotiek, absolútna chyba snímania uhlu 5



Documents

SNÍMAČE A MERACIE ČLENY POLOHY štruktúry, vyhodnocovanie signálov, vlastnosti a oblasti použitia