7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory"

Jaroslav Fišer
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: Elektrická měření a skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory P. Ripka, A3B38SME přednáška 7 1

2 Obsah Přehled metod měření lineární polohy a vzdálenosti Měření úhlové polohy Optoelektronické senzory Ultrazvukové senzory A3B38SME přednáška 7 2

3 lineární / rotační Senzory polohy Dvoustavové S kodovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické Lineární odporové indukčnostní kapacitní optické ultrazvukové A3B38SME přednáška 7 3

4 Dvoustavové senzory polohy (proximity switch) dvoustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní A3B38SME přednáška 7 4

5 Jazýčkové kontakty (reed contacts) magneticky měkké kontakty ovládány polem permanentního magnetu normálně rozepnutý (i normálně sepnutý a bistabilní typ) hystereze malá je žádoucí vícenásobné zony sepnutí aplikace: otáčky (bicykl), poloha (dveře) A3B38SME přednáška 7 5

6 Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů Active Speed and Position Sensors for Engine Management Honeywell A3B38SME přednáška 7 6

Magnetické, kapacitní a indukčnostní senzory polohy (opakování) Magnetické inkrementální bezkontaktní potenciometry Kapacitní mezerové s překryvem elektrod

7 Magnetické, kapacitní a indukčnostní senzory polohy (opakování) Magnetické inkrementální bezkontaktní potenciometry Kapacitní mezerové s překryvem elektrod otevřeného typu Indukčnostní s vířivými proudy Indunčnostní s proměnnou magnetickou mezerou transformátorové LVDT Induktosyn selsyn A3B38SME přednáška 7 7

Magnetický bezkontaktní potenciometr použitý

the direction of the reference layer - from

8 Magnetický bezkontaktní potenciometr použitý senzor: dvojice Hallových sond nebo GMR magnetorezistorů Sensitive bridges of the GMR Sensor - the arrows in the resistor symbols show the direction of the reference layer - from Infineon Ideal Output of the GMR Sensor from Infineon A3B38SME přednáška 7 8

9 Odporové senzory polohy (opakování) Potenciometrické uspořádání potlačuje změny ρ Navijákový senzor polohy s viceotáčkovým potenciometrem A3B38SME přednáška 7 9

10 Optoelektronické senzory polohy Založené na: změna polohy světelné stopy zastínění (optická závora) odraz zrcadlový difuzní interference doba šíření A3B38SME přednáška 7 10

11 A3B38SME přednáška 7 11 PSD (Position-Sensitive photo Detectors - polohově citlivé detektory) ; 0 0 L X B L X L A R R I I R R R I I L x R R I I L X B 0 L x L I I A 0 L x L x L x L I I I I I I I B A B A B A He-Ne LASER MĚŘENÁ POLOHA OBJEKTU PSD SNÍMAČ DIFUZNÍ POVRCH Poznámka: Často se používají plošné PSD snímače pracující na stejném principu

12 CCD a CMOS obrazové snímače amplifier transistor column bus transistor microlens photodiode red color filter reset transistor row select bus silicon substrate n + potential well CMOS: pixel tvořen fotodiodou a MOS tranzistorem, napěťový výstup. Výběr řádku-sloupce spínacími tranzistory. Umožňuje zpracování obrazu na stejném chipu A3B38SME přednáška 7 12

13 CCD = Charge Coupled Devices Optoelektronické senzory s nábojově vázanou strukturou: pixel tvořen CMOS kondenzátorem, ve kterém se vztvoří náboj úměrný expozici. Pixely se postupně vyčítají pomocí analogového nábojového posuvného registru A3B38SME přednáška 7 13

14 FOTOELEMENTY u F VRSTVA HRADEL u H ND u O u 1 u 2 TRANSPORTNÍ VRSTVA Liniový snímač délka 4 až 60 mm, až 6000 fotoelementů, čtecí kmitočet desítky MHz ZDROJ SVĚTLA MĚŘENÝ OBJEKT CCD SENZOR OPTICKÁ SOUSTAVA Plošné snímače maticová struktura až 3000 x 2000 fotoelementů (čtení po řádcích) A3B38SME přednáška 7 14

15 Inkrementální senzor polohy min = 7 m Interpolátory: až 50 nm Existují i v magnetickém a kapacitním provedení A3B38SME přednáška 7 15

16 OSVĚTLENÍ u 1 SMĚR POHYBU u 1 u 2 U FE1 + + u 1 u 2 u 1 u 2 FE2 D C Q Q TAM POHYBLIVÁ ČÁST PEVNÁ CLONKA VR.ČÍTAČ ZPĚT u 2 Q u 1 u 2 Q SMĚR POHYBU t t t t t t A3B38SME přednáška 7 16

17 Inkrementální senzor polohy magnetický princip A3B38SME přednáška 7 17

18 Inkrementální senzor polohy min = 7 m Interpolátory: až 50 nm?? Kvadraturní výstupy A3B38SME přednáška 7 18

19 Kódový absolutní senzor polohy position i magnetické provedení Grayův kód A3B38SME přednáška 7 19

20 Kódový absolutní senzor polohy Binární kód: možnost falešného údaje Kód se změnou v jednom bitu 63 0 Grayův kód Výhoda: - nedochází ke ztrátě informace v okamžiku výpadku napájení. Nevýhody: - značně složitější řešení optoelektronické soustavy (počet bitů = počet snímačů); - omezené rozlišení (obvykle bitů) A3B38SME přednáška 7 20

21 Reflexní senzor s difusním odrazem Pro malé vzdálenosti Založen na difusním odrazu Pro potlačení vlivu okolního potlačení se používá modulace světla V V V 2 2 V V 1 1 aperture Rec 2 Em Rec 3 Rec A3B38SME přednáška 7 21

22 Retroreflektivní senzor s odražečem A3B38SME přednáška 7 22

23 Retroreflektivní senzor s odražečem A3B38SME přednáška 7 23

24 Triangulační senzory Difusní odraz?? Pro střední vzdálenosti přesnost až 10 m A3B38SME přednáška 7 24

25 Optická závora A3B38SME přednáška 7 25

26 Optické vláknové senzory Optické vlákno: princip úplného odrazu Vlákno umožňuje přívod světla do neprístupných míst, odolné vůči vys. teplotám chemikálií, rušení Reflexní i clonicí princip A3B38SME přednáška 7 26

27 Pro největší vzdálenosti Time of flight : 1. Přímá metoda - světlo uletí 30 cm za 1 ns = rozlišení 1 cm na 1 km 2. Metoda frekvenční modulace dosažitelná přesnost: mm Používá se i pro ultrazvuk a radar A3B38SME přednáška 7 27

28 Senzor clonicího typu (scanner) A3B38SME přednáška 7 28

29 čtečky čárového kódu

30 Interferometrické senzory polohy Michelsonův interfermetr A3B38SME přednáška 7 30

31 Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna... v = 3000 m/s = 3 m / ns (původně zpožďovací linka) max. délka až 4 m (útlum) hystereze 0.4 m linearita 0.02 % Animace: A3B38SME přednáška 7 31

32 Ultrazvukový dálkoměr měří vzdálenost 0(?)až 255 centimeterů s rozlišením +/ 3 cm. princip: time of flight piezoelektrický vysílač i přijímač (oddělené) rychlost zvuku 346 m/s vyžaduje kvalitní odraz 10 až 15 pulsů/s, programovatelné (80 ms..2,5 s) A3B38SME přednáška 7 32

Podobné dokumenty

7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory

7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory Prof. Pavel Ripka Katedra měření ČVUT v Praze, FEL Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti 2014 A3B38SME