SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI A POSUVU

Transkript

1 SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI A POSUVU 7.1. Odporové snímače 7.2. Indukční snímače 7.3. Magnetostrikční snímače 7.4. Kapacitní snímače 7.5. Optické snímače 7.6. Číslicové snímače

2 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE princip: Experimentální metody přednáška 7 posuv je převáděn na pohyb jezdce (kontaktu) po odporové dráze -pricip poteciometru Posuv U NAP L 1 Napěťový dělič U OUT = R 2 U NAP R R 1 R 1 + R 2 R 2 L 2 U OUT U OUT = R 2 R U NAP kde R 2 = ρ L 2 S ρ U OUT = S R U NAP L 2 U OUT = K L 2 pozor: K závisí na napájení

3 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: U NAP 1) stabilita napájecího napětí v čase Posuv L 2 L 2 U NAP výsledek t? L 2 t U NAP

4 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: 2) velký vstupní odpor navazujících obvodů Experimentální metody přednáška 7 R Posuv R 1 U NAP U OUT = R 2 R Z R 2 + R Z R 2 R Z R 1 + R R2 + R Z U NAP R 2 U OUT R z Obvody úpravy k R 2 je paraleně zapojen vstupní odpor navazujícího členu řetězce R Z nelinearita vztahu R z musí být mnohonásobně větší než R 2 Typický odpor snímače je 5kΩ R Z = R nelinarita je 12% R Z = 10*R nelinarita je 1,5%

5 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: Experimentální metody přednáška 7 pokud napájecí zdroj dává napětí shodné s rozsahem A/D převodníku, není potřeba zesilovač, lze připojit přímo na vstup převodníku stabilní a přesný napájecí zdroj výstup snímače je přímo úměrný napájení vstupní odpor navazujícího členu řetězce musí být velký aby nedošlo k nelinearitě příklady: 10V napájení + GND +10V -10V napájení + GND - 10V napájení + GND 0 až 10 AI ±10V A/D GND -10 až +10 AI ±10V A/D GND 0 až AI ±5V -AI A/D GND nejjednodušší zapojení, asymetrický zdroj, A/D v režimu NRSE, rozsah ±10V snímač má výstup 0 až 10V využije se jen polovina rozsahu A/D symetrický zdroj, A/D v režimu NRSE, rozsah ±10V snímač má výstup ±10V (0 uprostřed) využije se celý rozsah A/D asymetrický zdroj, A/D v režimu DIFFER, rozsah ±5V snímač má výstup 0 až 10V, ale oproti 5V na vstupu -IN je to vlastně ±5V využije se celý rozsah A/D

6 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: kompenzace úbytku napájení na vodičích (pro delší propojovací vedení) I 0 + SENSE + SENSE U 1 = I *R VODIČE 1 I + EXC + EXC NAPÁJECÍ ZDROJ U SNÍMAČ = U NAP - U 1 U 2 U NAP NAPÁJECÍ ZDROJ Upozornění U 2 = I *R VODIČE 2 vstupy SENSE nesmí zůstat - EXC nezapojeny!!!!!! I pokud se nepoužijí, je potřeba - SENSE je propojit s výstupem napájení třeba v konektoru kabelu I 0 snímače napájecí zdroj odměřuje skutečné napětí na snímači měřicí vodiče zpětné vazby prakticky nezatíženy proudem, tj. bez úbytku napájecí zdroj zvýší U NAP tak, aby na snímači bylo požadované napětí - EXC - SENSE

7 7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE Základní charakteristika: lineární i rotační provedení délky desítky mm až několik metrů rotační až 360 přesnost 0,1 až 0,02% životnost až 100 mil. cyklů rychlost až 10m/s, zrychlení až 200m/s 2 až ot/min, detaily např. na Výhody: jednoduché, relativně levné široký výběr typů, délek, kotevních ok, vratná pružina výstup přímo el. napětí, triviální zapojení lze použít i pro vysoké rychlosti posuvu Nevýhody: pro posuv jezdce je třeba síla (tření) možnost ovlivnění experimentu menší odolnost proti vlivům prostředí omezená životnost závisí na materiálu odporové vrstvy pozor na vibrace

8 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem Experimentální metody přednáška 7 posuv je převáděn na změnu velikosti vzduchové mezery magnetického obvodu tím se mění indukčnost L = N 2 2d µ 0 S d závislost je nelineární to se dá vyřešit diferenčním zapojením (obr. vpravo) výhoda: jednoduchý, odolný snímač bez mechanického spojení pevné a pohyblivé části nevýhoda: - vztahy platí jen pro velmi malou vzduchovou mezeru, tj. lze uplatnit jen pro velmi malé posuvy - potřebuje speciální obvody pro napájení a vyhodnocení signálu

9 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem Experimentální metody přednáška 7 magnetický obvod může se může uzavírat i přes vnější materiál velmi častý případ využití: snímač posuvu pro malé vzdálenosti (cca do 20mm) detektory přítomnosti hmoty, přiblížení - dvoustavový výstup snímač pracuje se střídavým napájením napájecí a poměrně složité vyhodnocovacé obvody bývají integrovány přímo ve snímači z hlediska uživatele jde ven unifikovaný signál ( 0-10V, 4-20mA, ) nebo logický signál u detektorů přítomnosti

10 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem Experimentální metody přednáška 7 Základní charakteristika: jen lineární provedení délky desetiny mm až několik mm (max. cca 20mm) přesnost cca 1% detaily např. na Výhody: jednoduché, levné integrovaná elektronika unifikovaný výstup velká odolnost proti vnějším vlivům bezkontaktní měření, bez tření Nevýhody: jen malé vzdálenosti neexistuje rotační provedení snímač pro konkrétní typ vnějšího materiálu (magnetické vlastnosti) vzhledem k vestavěné elektronice omezené teplotní pásmo (většinou 0-80 C) vzhledem střídavému napájení omezeno frekvenční pásmo (shannonův teorém) (nejčastěji stovky Hz)

11 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem Experimentální metody přednáška 7 posuv je převáděn na změnu vzájemné indukčnosti mezi primární a sekundárními cívkami jeden z nejstarších principů snímání polohy diferenciální transformátorový snímač LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Výhody: Nevýhody: jednoduchý, odolný, bez mechanického spojení pohyblivé a pevné části potřebuje střídavé napájení a speciální vyhodnocovací obvody nelineární na koncích dráhy (používat jen lineární oblast!)

12 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem provedení se dvěma nebo jen jednou aktivní cívkou Experimentální metody přednáška 7 obvody pro vyhodnocení prakticky vždy obsahují napájecí střídavý zdroj velmi často kontrola napájení - vstupy SENSE obvody pro vyhodnocení mají velmi často diferenciální vstup na +IN se zapojuje výstup z cívek na IN je potřeba připojit polovinu napájení další dvě cívky častěji rezistory buď přímo ve snímači nebo v obvodu pro zpracování signálu

13 7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem Základní charakteristika: jen lineární provedení střídavé napájení (většinou 4,8kHz) délky jednotky mm až cca 500mm přesnost cca 1% Experimentální metody přednáška 7 detaily např. na Výhody: široký výběr typů, délek, kotevních ok, vratná pružina velmi odolné proti účinkům prostředí široký teplotní rozsah lze použít pro vysoké rychlosti a zrychlení prakticky neomezená životnost může být bezkontaktní jádro nemusí být v kontaktu s tělem snímače pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: neexistuje v rotačním provedení nutné obvody pro tvorbu střídavého napájení a úpravu signálu max. rychlost je omezena elektronikou (dolní propust pro odfiltrování napájecí frekvence shannonův teorém cca 2,4kHz)

14 7.3. MAGNETOSTRIKČNÍ SNÍMAČE Experimentální metody přednáška 7 pracuje na principu měření doby šíření mechanické vlny v materiálu proudový impuls ve vodiči uvnitř trubky vyvolá kruhové magnetické pole okolo vodiče v místě, kde se toto pole protne s polem vnějšího magnetu vznikne elastická deformace trubky (magnetostrikční jev) deformace trubky se šíří ve formě vlny trubkou k jejím okrajům rychlostí 2830m/s na jednom konci je zatlumena,na druhém se její příchod zachytí snímačem měří se čas mezi proudovým impulsem a příchodem vlny Vnější magnet Vodič uvnitř trubky Trubka ze slitiny niklu a oceli

15 7.3. MAGNETOSTRIKČNÍ SNÍMAČE Experimentální metody přednáška 7 Základní charakteristika: jen lineární délky desítky mm až jednotky m přesnost cca 0,02% detaily např. na Výhody: prakticky neomezená životnost vysoká odolnost proti vlivům prostředí velký teplotní rozsah je bezkontaktní snímá pohyb bez tření, bez síly integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: nelze použít pro velké rychlosti pracuje nespojitě teplotní rozsah omezený vestavěnou elektronikou

16 7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE Experimentální metody přednáška 7 posuv je převáděn na změnu velikosti vzduchové mezery, změnu ploch elektrod nebo změnu permitivity prostoru několik možných způsobů provedení změna vzdálenosti desek změna plochy změna permitivity S C = ε 0 ε r d závislost je nelineární závislost je lineární závislost je lineární základní nevýhoda lze uplatnit jen pro malé posuvy

17 7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE otevřený kondenzátor jeho elektrostatické pole je ovlivněno vnějším materiálem velmi častý případ využití: snímač posuvu pro malé vzdálenosti (cca do 10mm) detektory přítomnosti hmoty, přiblížení - dvoustavový výstup

18 7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE Základní charakteristika: lineární senzor nebo detektor přítomnosti (může být i rotační provedení) délky jednotky mm až cca 10mm přesnost cca 1% detaily např. na Výhody: lze použít pro vysoké rychlosti a zrychlení prakticky neomezená životnost velmi odolné proti vlivům prostředí je bezkontaktní pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: nelze použít na velké posuvy potřebuje elektricky vodivý předmět složité následné obvody pro úpravu signálu - buď integrováno v čidle - nebo vnější elektronika ale v kompletu s čidlem

19 7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Triangulační princip posuv je převáděn na změnu úhlu odrazu paprsku od povrchu

20 7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Triangulační princip Základní charakteristika: jen lineární délky jednotky mm až jednotky m přesnost cca 0,2% detaily např. na Výhody: prakticky neomezená životnost je bezkontaktní snímá pohyb bez tření, bez síly integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: nelze použít pro velké rychlosti omezeno rychlostí detektoru málo odolné proti vlivům prostředí požadavky na povrch odrazivé plochy

21 7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Konfokálně chromatický princip posuv je převáděn na detekci barvy odraženého světla vystupující paprsek je rozložen na barevné spektrum, posuvem předmětu se zpět odráží jen některá barva

22 7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Konfokálně chromatický princip Základní charakteristika: jen lineární délky 0,1 až cca 20 mm přesnost cca 0,08% detaily např. na Výhody: prakticky neomezená životnost je bezkontaktní snímá pohyb bez tření, bez síly integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: cenově náročná specialitka jen pro malé posuvy málo odolné proti vlivům prostředí požadavky na povrch odrazivé plochy

23 7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Detektory přítomnosti velmi časté použití dvoustavový výstup detaily např. na

24 7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Inkrementální snímač posuv je převáděn na sled impulsů, které se počítají Rozlišení stavu hmota mezera počítadlo pulzů princip optický, magnetický, kapacitní provedení lineární i rotační dva snímače posunuté o polovinu šířky zubu podle posunutí signálů lze rozlišit směr po zapnutí nelze zjistit absolutní polohu většinou další snímač a nulová značka

25 7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Inkrementální snímač Základní charakteristika: lineární i rotační délky desítky mm až jednotky m rozlišení závisí na provedení lze i µm odolnost proti prostředí závisí na provedení výstupem je přímo číslicová informace detaily např. na Výhody: prakticky neomezená životnost přesnost nezávisí na rozsahu (neuvádí se klasická relativní chyba) je bezkontaktní snímá pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: měří relativně po zapnutí nelze určit polohu - pro její určení se musí provést posuv, až se detekuje nulová značka

26 Snímače pro měření posuvu 7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Snímač s prostorovým kódem posuv je převáděn přímo na binární kód Řada snímačů pro rozlišení hmota mezera Dekódovací obvod princip většinou optický (lze i magnetický) provedení lineární i rotační řada snímačů každý snímá jeden bit kódu měří absolutní polohu většinou používá Grayův kód ten se mění vždy v jednom bitu

27 Snímače pro měření posuvu 7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Snímač s prostorovým kódem Základní charakteristika: lineární i rotační délky desítky mm až jednotky m rozlišení závisí na provedení lze i µm odolnost proti prostředí závisí na provedení výstupem je přímo číslicová informace detaily např. na Výhody: prakticky neomezená životnost přesnost nezávisí na rozsahu (neuvádí se klasická relativní chyba) je bezkontaktní snímá pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: cenově náročné