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
PRS04/24/23 2Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 3Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
X
PRS04/24/23 4Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 4Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –
PRS04/24/23 5Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 6Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 7Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 8Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 9Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
XXskriptá SaPskriptá SaP
PRS04/24/23 10Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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.
XXskriptá SaPskriptá SaP
PRS04/24/23 11Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
XXskriptá SaPskriptá SaP
PRS04/24/23 12Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
XXskriptá SaPskriptá SaP
PRS04/24/23 13Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 14Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 15Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
Jednoduchý kapacitný snímač a snímač s izolačnou vrstvou a ich prevodové charakteristiky
PRS04/24/23 16Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia
Dif. kapacitný snímač konštrukciadiferenciálne zapojenie -2x(linear., kompen., citlivosť)
xSC
PRS04/24/23 17Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 18Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
PRS04/24/23 18Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –
PRS04/24/23 19Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 20Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
XXskriptá SaPskriptá SaP
€
PRS04/24/23 21Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
Základné usporiadanie kontaktov
X
PRS04/24/23 22Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
XXskriptá SaPskriptá SaP
PRS04/24/23 23Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
Bloková schéma oscilátorového snímača
Z konštrukčného a funkčného hľadiska možno rozdeliť oscilátorové snímače na : • približovacie
· • priechodové
základné typy oscilátorových snímačov
X
PRS04/24/23 24Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
PRS04/24/23 24Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –
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.
PRS04/24/23 25Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
PRS04/24/23 25Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –
Indukčný snímač pre bezdotykové meranie vzdialenosti
PRS04/24/23 26Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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)
PRS04/24/23 27Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 28Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
Základné druhy optrónových snímačov
typ I typH
typ V typ Y
PRS04/24/23 29Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 30Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 31Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 32Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 33Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
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
PRS04/24/23 34Snímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohySnímače a prevodníky – Snímače a meracie členy polohy
PRS04/24/23 34Snímače a prevodníky – Snímače a prevodníky –