Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky. Měření snímačů polohy Diplomová práce

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Měření snímačů polohy Diplomová práce Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla Vypracoval: Bc. Tomáš Chlup Brno 2010

2 Mendelova univerzita v Brně Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Agronomická fakulta 2009/2010 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor: Bc. Tomáš Chlup Zemědělská specializace Management techniky Název tématu: Měření snímačů polohy Rozsah práce: stran textu Zásady pro vypracování: 1. Analýzy snímačů polohy 2. Výběr snímače a návrh metodiky měření. 3. Analýza výstupních dat. 4. Zhodnoťte možnosti použití. Seznam odborné literatury: 1. Odborné časopisy Automatizace 2. WWW stránky výrobců snímačů. 3. Zehnula K., Čidla robotů, SNTL Praha, 1990 Datum zadání diplomové práce: říjen 2008 Termín odevzdání diplomové práce: duben 2010 Bc. Tomáš Chlup Autor práce Dr. Ing. Radovan Kukla Vedoucí práce prof. Ing. Jan Mareček, DrSc. Vedoucí ústavu prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Měření snímačů polohy vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELU v Brně. Dne podpis diplomanta

4 Poděkování Děkuji svému vedoucímu diplomové práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi, za cenné rady, podnětné připomínky a za odborné vedení při zpracování diplomové práce. Dále děkuji firmě VR Group, která mi poskytla zázemí pro měření a zejména Mgr. Vítězslavu Rejdovi za odbornou pomoc při sestavování úlohy.

5 Abstrakt V mojí diplomové práci na téma Měření snímačů polohy jsem se zabýval snímači polohy a posunutí a jejich měřením. V první části jsem se zaměřil na obecný popis a principy jednotlivých snímačů. V další části jsem uvedl možnosti použití jednotlivých snímačů podle jejich základních vlastností. Dále jsem popsal možnosti přenosu dat a jejich zpracování. Hlavním cílem mé diplomové práce bylo porovnání dvou snímačů z hlediska jejich přesnosti. Dle mého měření se jako přesnější jeví optický enkodér. Pro lepší porovnání obou snímačů by bylo zapotřebí kompaktní provedení magnetického enkodéru. Klíčová slova: snímač, poloha, konstrukce, enkodér Abstract In my diploma thesis Measurement of position sensors I dealt with the position sensor and displacement, and their measurement. The first part focused on general principles and a description of the individual sensors. In the next section I mentioned the possibility of using different sensors according to their basic properties. I also described the possibility of data transmission and processing. The main goal of my thesis was to compare the two sensors in terms of their accuracy. My measurements are as accurate optical encoder appears. For better comparison of the two sensors would need to compact the magnetic encoder. Keywords: sensor, location, construction, encoder

6 Obsah 1 ÚVOD Cíl Principy snímačů Lankové snímače Odporové snímače Konstrukce Kapacitní snímače polohy Obvody pro zapojení Indukční snímače Konstrukce Ultrazvukové snímače Konstrukce Kamerové snímače Konstrukce Princip Fluidikové snímače Odporové Proudové Optické snímače Popis základních součástí Přijímač světla Reflexní snímače Jednocestné optické závory Optovláknové snímače Kontrastní snímače Luminiscenční snímače Snímače barvy Prosvětlovací snímače Magnetické snímače Reedův snímač Snímač s nasycovaným jádrem Hallova sonda... 36

7 4 Využití snímačů Odporové Indukční snímače Kapacitní snímače Ultrazvukové snímače Optické snímače Magnetické snímače luminiscenční snímače Kamerové snímače Přenos dat ze snímačů Kabely Proudová smyčka Optický kabel Typy optických vláken Media konvertory Bezdrátový přenos Wi-Fi Bezpečný výstup Sběrnice ISO/OSI RS-422,RS-423 a RS CAN DeviceNet M-BUS Ethernet Hart Zpracování dat PLC jednotky Univerzální měřiče Měření snímačů Magnetický enkodér AS Popis funkce Absolutní informace o úhlu natočení... 57

8 7.1.3 Inkrementální výstup PWM výstup Optický enkodér ENC1J Čítač HCTL Schéma zapojení snímačů Optický snímač a jeho zapojení Magnetický snímač a jeho zapojení Výsledky měření Optický enkodér Magnetický enkodér Závěr Seznam literatury Seznam obrázků... 68

9 1 ÚVOD Snímače polohy, výchylky a posunutí se hojně používají v automatizačních procesech. Hlavně u manipulačních procesů je třeba znát s dostatečnou přesností lineární i úhlové výchylky. Další důležitou vlastností snímačů je také rychlost měření a odolnost vůči parazitním vlivům jaké jsou například vlhkost, teplota, elektromagnetické pole, vibrace. Snímače se používají k indikaci polohy nebo získání spojitého signálu. Některé snímače se v hojné míře používají k zabezpečení provozu, kdy je třeba zajistit bezpečný odstup obsluhy od strojů se zvýšeným rizikem úrazu. Snímače využívají různých fyzikálních principů a podle tohoto hlediska je lze dělit na snímače odporové, indukční, magnetické, fotoelektrické, elektrokontaktní, kapacitní, kamerové, luminiscenční, akustické. Další možností jak rozdělit snímače do skupin je například podle tvaru dráhy na lineární a úhlové, dle způsobu měření na kontaktní a bezkontaktní, dle typu vstupního signálu na číslicové a analogové. Každý ze snímačů má jiné vlastnosti a tudíž je důležité vědět, na jaký konkrétní účel ho chceme použít a v jakých podmínkách. Při nesprávném výběru by mohlo docházet k častým chybám měření nebo poruchovosti. Jelikož se při zpracovávání signálů využívá zejména číslicové techniky, používají se ve větší míře snímače číslicové. V dnešní době je kladen požadavek na co nejmenší rozměry a velkou výkonnost. Výrobci přicházejí s novými technologiemi, díky kterým se daří konstruovat snímače miniaturních rozměrů. V jednom čipu je například samotný snímač a elektronika pro převod signálu z tohoto snímače nebo dokonce i vyhodnocení dat. [1] 2 CÍL Cílem mé práce je vytvoření přehledu snímačů polohy a posunutí a jejich využití. Dále popis přenosu dat z těchto snímačů a jejich zpracování. Hlavním cílem je porovnání dvou snímačů natočení z hlediska jejich přesnosti a využitelnosti. Pro tento úkol je třeba sestavit přípravek na měření snímačů, který bude umožňovat změnu úhlu s dostatečně malým krokem a bude zároveň zobrazovat hodnoty v porovnatelném formátu. 9

10 3 PRINCIPY SNÍMAČŮ 3.1 Lankové snímače Lankové snímače jsou zařízení určená k odměřování délek, lineární dráhy nebo polohy a pohybu objektu pomocí pružného lanka, které se navíjí na odpružený buben uvnitř snímače. Konec lanka je upevněn na pohybujícím se objektu a těleso snímače je připevněno k pevné podložce. Lanko se při pohybu objektu odvíjí či navíjí na buben, na který je mechanicky připojen snímač otáčení. Ten převádí otáčivý pohyb na nějaký elektrický signál, analogový nebo digitální, absolutní nebo inkrementální, který je úměrný lineárnímu prodloužením lanka nebo rychlosti jeho pohybu (odvíjení). Tento signál je pak možné dále libovolně zpracovávat v řídících jednotkách nebo zobrazit na displeji měřidla, stejně, jako signál z jakékoliv běžného rotačního snímače. Zpětné navíjení lanka bývá zajištěno pružinou. [2] Obr. 3.1 Základní struktura lankového snímače 10

11 3.2 Odporové snímače Tyto snímače využívají změnu polohy sběrače na odporové dráze. Tato změna může být skoková nebo lineární. Pro odporové snímače jsou důležité zejména tyto vlastnosti: Rozlišovací schopnost udává, jaký přírůstek dokáže potenciometr spolehlivě rozlišit. Potenciometry s nejvyšším rozlišením jsou vrstvové (až 0,01%). U vinutých potenciometrů je rozlišení dáno skokovou změnou odporu mezi sousedními závity. Životnost udává počet cyklů při zadaných provozních podmínkách. Životnost vinutých typů je okolo 10 6, u vrstvových a hybridních typů se pohybuje okolo Konstrukce Nejčastěji používané a nejlevnější vrstvové potenciometry mají odporovou dráhu ze speciálního laku plněného sazemi. Dráha je málo odolná, životnost potenciometru je krátká. Jakostnější jsou potenciometry s dráhou z tvrdého uhlíku nebo cermetu. (Cermet je složenina počátečních slabik slov ceramic-metal. Je to speciální sklo, v němž je rozptýlen prášek drahých kovů.) Tyto potenciometry mají velkou stabilnost odporu, dlouhou životnost a malý šum. Vinuté potenciometry bývají nejčastěji vyrobeny z manganinu nebo konstantanu. Sběrače jsou nejčastěji vyrobeny ze slitiny platiny a iridia nebo platiny a berilia. Obr. 3.2 Odporový snímač lineární 11

12 Snímače lze rozdělit i konstrukčně podle dráhy jezdce: Kruhové Lineární Šroubovicové Speciální U lineárních snímačů se sběrač posouvá po přímkové dráze. Kruhové snímače mají odporovou dráhu kruhovou s možností otočení až o 360. Šroubovicové snímače mají odporový drát navinut na izolovaném nosném drátu ve tvaru šroubovice. Sběrač sleduje dráhu této šroubovice. Tyto snímače se vyznačují vysokou přesností. Mezi speciální snímače lze zařadit čidla s vysokou přesností, spolehlivostí, nebo jinou speciální vlastností. [1] 3.3 Kapacitní snímače polohy Jedná se o kondenzátor minimálně ze dvou elektrod, z nichž alespoň jedna musí být pohyblivá. Tyto snímače jsou konstrukčně jednoduché, lehké a mají malé rozměry. Vyskytují se ve třech základních konstrukcích: Využívající změnu plochy elektrod Využívající změnu vzdálenosti elektrod S proměnlivou tloušťkou nebo plochou dielektrika U každé z těchto skupin lze použít jednoduché nebo diferenciální uspořádání. Podle tvaru elektrod je lze rozdělit na snímače s válcovou elektrodou a snímače s rovinnou elektrodou. Realizovány mohou být analogově nebo číslicově. V případě analogových se jedná o rozsahy v jednotkách milimetrů až po stovky milimetrů. U číslicových probíhá snímání přírůstkově nebo absolutně. Základním řešením je jednoduchý kondenzátor s proměnlivou mezerou mezi elektrodami (Obr. 2.2). Pro snímání posunutí se pro jednoduché konstrukční řešení a lineární charakteristiku používá souosé uspořádání elektrod, kde se mění plocha překrytí (Obr. 2.2). 12

13 Obr. 3.3 Kondenzátor s proměnlivou mezerou Obr. 3.4 Kondenzátor se souosým uspořádáním Další možností je kapacitní snímač pracující na principu vyhodnocení změny permitivity prostředí, takže je vhodný pro detekci polohy a přítomnosti nemagnetických materiálů, jako jsou kapaliny, plastické hmoty, sklo, keramika, dřevo, kámen, aglomerované materiály, práškové hmoty apod. [1] Pro optimální přizpůsobení do nejrůznějších konstrukcí jsou vyráběny v kovových i plastových pouzdrech válcového a pravoúhlého tvaru se snímací vzdáleností od 0,5 do 15 mm. K dispozici jsou také speciální kapacitní snímače určené ke kontaktnímu snímání hladiny vodivých i nevodivých kapalin. Princip senzoru je vidět na obrázku 2.4. Elektrody A a B jsou spojeny do zpětné větve vysokofrekvenčního oscilátoru, který je naladěn tak, že neosciluje, pokud je prostor před elektrodami volný. Když se objekt přiblíží, vstoupí do elektrického pole v přední části elektrod a způsobí změnu kapacity. Oscilátor začne oscilovat, amplituda je zaznamenána a vyhodnocovací obvod ji přemění na spínací signál příkaz. Spínací vzdálenost je závislá na dielektrické konstantě snímaného materiálu. Obr. 3.5 Princip senzoru Obvody pro zapojení Parazitní vliv přívodů může výrazně ovlivnit vlastnosti kapacitního snímače. Pro to se používají speciální zapojení těchto snímačů, aby se vliv kapacity přívodů co nejvíce potlačil. 13

14 Nejčastěji používaná zapojení jsou pomocí: 1) zpětnovazebního děliče 2) můstku 3) rezonančního obvodu Pro diferenční zapojení snímačů se nejvíce používá můstkové zapojení. U tohoto zapojení se k potlačení parazitního vlivu přívodů používá transformátorový můstek (Obr. 2.5). Hlavním požadavkem je co nejmenší rozptylová indukčnost a malý vnitřní odpor. Musí platit, že frekvence generátoru, kterým je můstek napájen, je menší než rezonanční frekvence obvodu. Rezonanční obvod se při měření používá dvojím způsobem: Zapojením kapacitního snímače do rezonančního obvodu. Nejvíce se používá v prostředí s velkým rušením. Jako dělič napětí. U tohoto zapojení je nevýhodou požadavek na stabilitu generátoru a vliv ostatních členů obvodu. [1] Obr. 3.6 Transformátorový můstek 3.4 Indukční snímače Jde o snímače, které mají široký rozsah snímání od jednotek mikrometrů po stovky milimetrů. Jsou zapojeny v obvodu se střídavým napájením a vyznačují se především velkou spolehlivostí Konstrukce Jedná se o velmi početnou skupinu snímačů. Vlastní snímač je tvořen cívkou nebo systémem cívek bez feromagnetického jádra, s neferomagnetickým nebo feromagnetic- 14

15 kým jádrem. Při změně polohy dojde k vzájemnému posunutí těchto částí a tím ke změně vlastní nebo vzájemné indukčnosti. Konstrukčně lze indukční snímače rozdělit takto: a) Snímač s proměnnou vzduchovou mezerou b) Snímač s konstantní vzduchovou mezerou c) Snímač s otevřeným magnetickým obvodem d) Snímač s potlačeným polem e) Snímač bez feromagnetika f) Indukční snímače pro velké výchylky g) Oscilátorové snímače h) Polohový transformátor i) Induktosin Snímač s proměnnou vzduchovou mezerou U tohoto snímače se může měnit velikost vzduchové mezery (obr. č. 2.6) nebo její plocha (obr. č. 2.7). Závislost změny vzduchové mezery je pro větší vzdálenosti nelineární, proto se tyto snímače používají pro malé rozsahy. Zvýšení rozsahu můžeme dosáhnout diferenčním zapojením. [1] Obr. 3.7 S proměnnou vzduchovou mezerou Obr. 3.8 S proměnnou plochou vzduchové mezery 15

16 Snímač s konstantní vzduchovou mezerou Tento snímač je řešen jako diferenční. Jeho základní princip je na obr. č Skládá se z budících cívek a pohyblivé cívky. Je-li pohyblivá cívka uprostřed pólových nástavců, je na svorkách této cívky nulové napětí. Pokud dojde k posunutí cívky, mění se dílčí magnetický tok, který prochází cívkou a na svorkách se objeví napětí, které je úměrné velikosti posunutí. Charakteristika čidla je lineární, ale jeho nevýhodou jsou pohyblivé kontakty cívky. [1] Obr. 3.9 S otevřeným magnetickým obvodem Snímač s otevřeným magnetickým obvodem Princip spočívá v tom, že se do cívky zasouvá pohyblivé feromagnetické jádro a tím se mění indukčnost této cívky. Cívka je většinou umístěna ve feromagnetickém krytu, aby nedocházelo k ovlivňování z okolí. Citlivost těchto snímačů je 0,01µm. Charakteristiku lze linearizovat v poměrně široké oblasti posunutí jádra od 3 µm až po 100 mm diferenčním uspořádáním dvou senzorů. [1] Snímač s potlačeným polem Průchodem proudu cívkou se vytvoří magnetické pole, které indukuje v elektricky vodivém médiu elektromotorické napětí. Toto napětí zapříčiní vznik vířivých proudů, které vytvoří magnetické pole působící proti poli, jež je vyvolalo. Tím se zmenšuje (potlačuje) intenzita původního pole. Elektricky vodivé médium je měřená část. Při změně polohy snímače se budou měnit geometrické parametry. Cívka bez feromagne- 16

17 tického jádra má malou hmotnost ale také malou citlivost a musí pracovat v obvodu s vyšší frekvencí. Citlivost lze zvýšit použitím feromagnetického jádra. Tyto snímače jsou citlivé na vnější magnetická pole a feromagnetika. Základní typy snímačů jsou na obrázku 2.9. Obr Indukční snímač s potlačeným polem Obr Indukční snímač s potlačeným polem a jeho zapojení Snímač může být řešen jako jednoduchý (obr. 2.11) nebo diferenční (obr. 2.12), dále jako impedanční nebo transformátorový. [1] Obr S potlačeným polem jednoduchý Obr S potlačeným polem diferenční 17

18 Snímač bez feromagnetika Tento snímač pracuje na principu vzájemné indukční vazby dvou cívek, kde jedna je pevná a druhá posuvná (obr 2.13). Používá se pro snímání malých výchylek posunutí. Díky absenci feromagnetické části odpadají parazitní vlivy spojené s feromagnetikem. Tyto snímače se dají použít pro široký rozsah teplot. [1] Obr Indukční snímač bez feromagnetika Indukční snímače pro velké výchylky Jedná se o snímač polohy měřícího šroubu. Na střední části magnetického obvodu je budící vynutí. Při pootočení šroubu se posune profil závitu v osovém směru a tím se poruší rovnováha mezi napětím U 1 a U 2. Kvůli vymezení házení šroubu je dobré použít uspořádání se dvěma jádry jak je vidět na obrázku Tímto způsobem lze snímat polohu v rozsahu 1000 mm s přesností ± 2 µm. [1] Obr Indukční snímač pro velké výchylky Oscilátorové snímače Jde o bezdotykový snímač spínacího typu. Využívá se u něj principu snímače indukčního s potlačeným polem. Základ tohoto snímače je realizován jako oscilátor 18

19 s rezonančním obvodem, u kterého dojde k zatlumení při přiblížení elektricky vodivého tělesa. Další možností je oscilátor se zpětnou indukční vazbou, která se mění elektricky vodivým tělesem. Amplituda kmitů se může měnit skokem, nebo plynule. Většinou se používají snímače se skokovou změnou amplitudy. Výstupní signál ze snímače je v napájecím obvodu oscilátoru a to napěťový nebo proudový nebo také na výstupu oscilátoru, zesilovače taktéž napěťový nebo proudový. Frekvence oscilátoru snímače se pohybuje v rozmezí jednotek kilohertz až po 200 khz. Tyto snímače se vyznačují dlouhou životností. [1] Polohový transformátor Konstrukcí je tento snímač podobný selsynu. Jeho použití je zejména pro převod úhlové výchylky na elektrický signál. Zajímavé řešení má takzvaný otočný transformátor. Má jednofázové budící vynutí a jednofázové výstupní vynutí. Magnetický obvod je navržen tak, že výstupní napětí je v určitém rozsahu přímo úměrné výchylce. Přesnost snímání úhlu je ±0,1 až ±0,5 %. Speciální polohový transformátor je fázový měnič, určený jako polohový odměřovací snímač u obráběcích strojů. Nejčastěji má dvoufázové vinutí jak na rotoru, tak i na statoru. V jednom vinutí je natočení rotoru úměrné sinu úhlu a v druhém vinutí je natočení úměrné cosinu úhlu. [1] Induktosyn Jde v podstatě o polohový transformátor, který má zvláštní plošnou konstrukci (Obr. 2.15). Hodí se k měření lineárních i úhlových výchylek. Je sestaven ze dvou částí, z nichž jedna je pevná (měřítko) a druhá pohyblivá (snímací), která se posouvá nad měřítkem. Obě vinutí jsou vyrobena technikou plošných spojů na podkladových deskách s izolační vrstvou. Tříkanálová snímací hlava poskytuje dva inkrementální výstupní signály A a B realizující fázově posunutý (kvadraturní) výstup a indexový signál I. Zatímco sledováním a porovnáním A a B kanálů lze získat informaci o směru a rychlosti pohybu detekčního proužku, indexový signál I slouží k orientaci, tedy přesněji zjištění počátku. Ten se upevňuje na monitorovaný pohybující se objekt a může být jak v podobě proužku, tak i v podobě kotouče. Snímací hlava je fixní (upevněna 19

20 napevno). Vysílací cívka je buzena vysokofrekvenčním proudem, který vytváří časově proměnné magnetické pole ze zesilovače snímané dvěma detekčními cívkami. Vazbu mezi vysílací a detekční cívkou realizuje kovový předmět mezi ně vložený, tedy v případě snímací hlavy vložený k čelní straně snímací hlavy. Kovové prvky jsou zde realizovány detekčním proužkem s měděnými značkami. Díky tomuto principu je snímač necitlivý vzhledem k okolním magnetickým polím a odolný vůči okolnímu magnetickému, elektromagnetickému rušení. Toho je dosaženo tím, že vysílací (primární) i detekční (sekundární) cívka jsou velmi blízko sebe na jednom čipu (cca mikrometry) a tak většina možných elektromagnetických rušení má mnohokrát větší vlnovou délku než je vzdálenost mezi oběma cívkami a stejně tak teplotní vlivy působí na všechny cívky stejně. Dále nosná frekvence budícího signálu je 1 MHz, což znamená, že i případné rušení v řádu do khz, jsou následně při synchronní demodulaci na sekundární straně odfiltrovány. Zároveň indukční princip zajišťuje odolnost proti znečištění olejem, vodou, prachem nebo různými částicemi. Nevýhodou je nutnost najet na nulovou polohu. [3] Obr Induktosin 20

21 3.5 Ultrazvukové snímače Jsou vhodné pro bezdotykové vyhodnocování polohy nebo měření vzdálenosti objektů, které jsou schopny odrážet ultrazvuk. Objekty přitom mohou mít různý tvar, různou drsnost povrchu i barvu Konstrukce Jako zdroj signálu se používá nejčastěji piezoelektrické konstrukce. U některých krystalů vzniká velmi intenzivní úkaz, který nazýváme piezoelektrickým jevem. Podrobíme-li destičku vyříznutou z krystalu křemene nebo piezokeramiky tahu nebo tlaku, destička i molekuly krystalu se deformují a tím se změní poloha nábojů. Tak vzniknou stejně velké opačné povrchové náboje na protilehlých plochách destičky. Postříbříme-li je, můžeme mezi nimi zjistit piezoelektrické napětí. Stejně intenzivně jako tento přímý piezoelektrický jev projevuje se i obrácený piezoelektrický jev: Vložíme-li na elektrody potenciálový rozdíl, deformuje se destička tak, že se její rozměry změní úměrně potenciálovému rozdílu. Výhodou je jednoduchá konstrukce a malé rozměry. Jako přijímač odraženého signálu se používají také piezoelektrické snímače. Je možno vysílač i přijímač sloučit v jeden celek, tomuto celku se říká ultrazvukový měnič nebo také ultrazvuková sonda, která zajišťuje oboustranný převod ultrazvukového signálu na elektrický. Měniče se liší podle šířky frekvenčního pásma, které zpracovávají na úzkopásmové (selektivní) nebo širokopásmové. Úzkopásmové měniče nejsou tlumeny a jsou nastaveny do rezonance. Aby se zlepšila akustická vazba s prostředím a dosáhlo se požadované směrové charakteristiky, používají se tvarované nástavce. Širokopásmové měniče jsou používány především v impulsovém režimu u snímačů ultrazvukových signálů v širokém pásmu (např. 100 khz až 2 MHz). Aby se dosáhlo širokopásmovosti měniče, používá se řada konstrukčních řešení, jako jsou šikmé řezy, tvarované piezoelektrické členy a podobně. Často se používá zatlumení piezoelektrického rezonátoru. Signál projde přes ochrannou desku na piezoelektrický člen, na němž je tlumič. Tlumič je většinou 21

22 vyroben z pryskyřice, která je naplněna kovovým práškem. Důležitým parametrem je vyzařovací charakteristika. Ke konstrukci elektroakustických měničů lze také využít kapacitního nebo elektrodynamického principu. Tyto konstrukce však nelze realizovat v miniaturních provedeních a to z důvodu citlivosti a odolnosti vůči parazitním vlivům. Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulsů, které se šíří daným prostředím rychlostí zvuku. Narazí-li tyto impulsy na nějaký předmět, část vlnění se odrazí, a dojde po době t1 k návratu zpět do snímače. Odezva je pak detekována stejným měničem (snímačem) a vyhodnocovací elektronika může z doby zpoždění (t1 - t0) spočítat vzdálenost předmětu. Nevýhoda tohoto systému s jedním měničem je, že po vyslání impulsu až k možnému přijmu odezvy, musí senzor nečinně čekat (mrtvý čas) než měnič dokmitává (doznění). Až poté může být odezva zjištěna. Následkem tohoto mrtvého času mají ultrazvukové měniče nefunkční pásmo, nazývané mrtvá nebo slepá zóna, v němž nemůže být žádná odezva detekována. 3.6 Kamerové snímače Kamerové systémy mohou být buď jednoduché jednoúčelové často v podobě jedné "krabičky", nebo univerzální a výkonné s několika oddělenými kamerami a s různými implementovanými vyhodnocovacími algoritmy. Výrobky lze třídit podle jejich barvy, tvaru, na výrobku vytištěném textu nebo třeba data a času spotřeby. Současné systémy se již plně obejdou bez použití PC. Vše je již implantováno v malé řídící jednotce. [4] Konstrukce Kompaktní kamerové systémy se vyznačují tím, že v jednom pouzdře obsahují integrované všechny potřebné komponenty jako je optika a osvětlení z bílých LED, miniaturní CMOS kamera (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), elektronika pro zpracování a porovnání obrazů, paměť pro referenční naučené obrazy, 22

23 vyhodnocovací elektronika s digitálními a spínanými výstupy. Systém je tak plně samostatný že ke své funkci již nepotřebuje žádné další zařízení. [4] Princip Při své běžné práci si nasnímaný obraz CMOS kamerou porovnávají s uloženými správnými předlohami podle určitých dominantních znaků. Pokud se uvedené znaky obrazu shodují nebo jsou si do určitého zadaného stupně blízké, vyhodnotí se kontrolovaný objekt (produkt, materiál, věc) jako správný nebo špatný a výsledkem je nebo není signál pro regulaci (např. vyřazení objektu z linky, přesunutí na jiný pás). Po namontování senzoru se musí provést jeho naučení, které probíhá systémem postupného předkládání správných vyráběných produktů. Tyto snímače fungují na vzdálenost od několika milimetrů až po desítky centimetrů. Napájení je možné v rozsahu 10 až 30 V, což umožňuje napojení na 12 V nebo 24 V zdroje. Také je možné napájení 5 V z USB konektoru, který funguje zároveň jako komunikační rozhraní. [4] Obr Kompaktní kamerový systém 3.7 Fluidikové snímače Fluidikové snímače převádí měřenou neelektrickou veličinu a změnu parametrů tekutiny nebo plynů. Tyto snímače ke své činnosti využívají aerohydrodynamických principů. Fluidikové snímače ve většině případů neobsahují pohyblivé mechanické části a jsou tedy vhodné pro velmi těžké pracovní podmínky, jako jsou například vysoké 23

24 teploty, vibrace, silná elektromagnetická pole, výbušná prostředí a podobně. Tyto snímače doplňují ostatní snímače jako například elektrické, mechanické. Fluidikové snímače lze rozdělit do několika základních skupin a to na pasivní a aktivní, dále pak na proudové a odporové. [1] Odporové Jejich konstrukce je patrna z obrázku 2.18, kde 1 je část s konstantním odporem, 3 část s proměnným odporem (dýza) a 2 je měřící komora. Plyn proudí přes konstantní odpor do měřící komory a přes proměnný odpor vytéká do vnějšího prostředí. Výstupní tlak je úměrný vzdálenosti od měřeného tělesa 4. Výhodou je velká citlivost umožňující měřit posunutí až 0,1 µm. Díky přetlaku se kterým snímač pracuje, odpadá nebezpečí usazování nečistot a tím se zvyšuje jeho spolehlivost. Mezi nevýhody patří závislost na napájecím tlaku a malý rozsah měření. [1] Obr Fluidikový snímač odporový Proudové Tenký paprsek proudu kapaliny vytváří proudové pole, jehož tvar se mění se změnou polohy měřeného předmětu. Toto pole je snímáno přijímací dýzou (pitotovou trubicí) v jednoduchém nebo vícenásobném uspořádání (obr. 2.19). Tlak v měřící dýze se mění v závislosti na vzdálenosti, úhlovém natočení, posunutí a clonění proudového pole. Pro měření malé úhlové výchylky se používá uspořádání, které je na obr. 2.20, kde jsou měřící dýzy připojeny k měřiči diferenčního tlaku. Další možností je snímač 24

25 s plošným uspořádáním proudu, u nějž je dosahovaná citlivost 1 µm (obr. 2.21). Do této skupiny patří také reflexní proudové snímače, které se vyznačují větším měřícím rozsahem. Tento rozsah je řádově roven průměru napájecí dýzy (2 mm až 50 mm). Tyto snímače nejsou tak závislé na kolísání vstupního tlaku. Pro měření větších lineárních výchylek se používají snímače s laminárním fluidikovým odporem. Na posuvném pístu je v závitovém tvaru vytvořen kapilární odpor. Hodnota tohoto odporu se mění v závislosti na posunutí pístku ve válci. Snímač s vírovým proudem, který je znázorněn na obrázku 3.22, je založen na deformaci vírového pole. Hlavní částí je vírová komora, do které se přivádí otvorem 1 tekutina v tangenciálním. Komora je na jednu stranu otevřená v osovém směru a na druhou stranu je výstup tlakového signálu. Tekutina proudící do komory vytvoří vír, jehož působením se dostane do vířivého pohybu i tekutina na otevřené straně komory. Tlak v ose víru je závislí na zpětném proudění, které se mění v závislosti na vzdálenosti měřené části. Tyto snímače jsou vhodné pro měření větších hodnot posunutí. [1] Obr Fluidikový snímač proudový Obr Fluidikový snímač proudový pro měření úhlové výchylky Obr Fluidikový snímač proudový s plošným uspořádáním proudu Obr Fluidikový snímač proudový s vírovým proudem 25

26 3.8 Optické snímače Optické snímače jsou jedny z nejpoužívanějších snímačů pro zjišťování objektů. Jejich velkou výhodou je velký snímací rozsah, který může přesahovat i 50m, a možnost detekovat většinu nelesklých materiálů. Jedná se o konkurenci ultrazvukových snímačů. Oproti nim můžou tyto snímače pracovat i ve vakuu. Jsou i více rozšířené díky dříve zvládnutému vývoji LED a fotodiod proti ultrazvukovému piezorezonátoru. Jejich použití je velice široké od dopravníků přes montážní linky až po kontrolu velikosti předmětů. Díky vysoké citlivosti těchto snímačů a možnosti realizace v malých rozměrech jsou tyto snímače velmi výhodné. Pro snímače polohy se používají prakticky všechny typy snímačů světelného a infračerveného záření. Optické snímače lze rozdělit do několika skupin podle jejich principu: Difuzní - detekce blízkého neprůhledného, ale i průsvitného objektu téměř libovolného nelesklého materiálu Reflexní - detekce i vzdálených a velmi malých neprůhledných a nelesklých pevných předmětů Jednocestné - detekce na krátké i velké vzdálenosti i pro průsvitné a hůře průhledné (nečiré) produkty Optovláknové - detekce velmi malinkých objektů nebo větších předmětů ve stísněných podmínkách Kontrastní - blízká detekce různého obrazce, značky či plochy světlejší či tmavší než podložka (pozadí) Luminiscenční - detekce schopnosti luminiscence ozářeného objektu Snímače barvy - detekce barevné plochy na ploše nebo na pozadí jiné barvy na malé až střední vzdálenosti Princip spočívá na detekci existence nebo měření intenzity paprsku světla dopadajícího na snímací část senzoru. Zdroj paprsku a senzor jsou umístěny v jednom pouzdře. Měří se množství odraženého světla. Konkrétně se jedná o měření úrovně amplitudy nebo světelného výkonu, který se porovnává s nastavenou, požadovanou hodnotou. Díky tomu je možné měřit i jiné optické parametry než jen vzdálenost. Může to být například kontrast nebo barva. 26

27 Obr Princip optického snímače Jako zdroj světla se pro menší vzdálenosti do jednotek metrů používají LED diody vyzařující ve viditelném spektru světla a pro větší vzdálenosti až několika desítek metrů se využívají laserové diody nejčastěji červené barvy. Jako přijímače se používají fototranzistory a pro výkonnější snímače rychlejší PIN fotodiody Popis základních součástí Jak již bylo řečeno základní součástí každého optického snímače, je zdroj světla (LED dioda) a přijímač (fotodioda) Zdroj světla LED dioda je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Dojde li k průchodu elektrického proudu v propustném směru, přechod díky elektroluminiscenci vyzáří nekoherentní světlo s úzkým spektrem. Pásmo záření je závislé na chemické složení polovodiče. Pásmo vyzařování může být od ultrafialového, přes viditelné spektrum, až po infračervené pásmo. 27

28 3.8.2 Přijímač světla Fotodiody pracují na principu vnitřního fotoelektrického jevu. Fotony (světlo), které dopadají na P-N přechod naráží do elektronů ve valenční sféře atomu a tím jim předávají svoji energii. Elektron tuto energii absorbuje, čímž získá dostatek energie k uvolnění se z valenčního pásu a přeskočí do vodivostního pásu. Tímto vznikne volný elektron, který opustí svůj atom a pohybuje se prostorem krystalové mřížky. Tyto volné elektrony jsou nosiče náboje, které zvyšují vodivost polovodiče Reflexní snímače Tyto snímače se svým použitím nejvíce podobají ultrazvukovým snímačům. Běžný dosah těchto snímačů je 0,5 m. Díky použití infra LED se může dosah zvýšit až na 2 m. Lze je rozdělit na: Senzory s potlačeným pozadím detekuje se odraz světla od objektu v rámci definované vzdálenosti snímání. Objekty, které leží mimo definovanou hodnotu, jsou odcloněny. Senzory s potlačeným popředím detekuje se odraz od pozadí za detekovaným objektem. Energetické rovněž detekuje odraz světla od objektu ale bod sepnutí je nastavitelný pomocí změny citlivosti. Důležitá je také použitá optika. U difůzních se používají kolimační čočky, aby se vrátilo co nejvíce světla a tím se zvýšila snímací vzdálenost, na druhou stranu se zvýší citlivost na úhel naklonění. Divergenční nemají kolimační čočky, čímž se sice zkrátí spínací vzdálenost, ale sníží se citlivost na odklon či pootočení proti kolmému postavení proti snímanému objektu. U konvergentních se používají čočky pro zaostření světla do ohniska, čímž je umožněno snímání velmi malých objektů s velmi špatnou reflexí. Další možností je reflexní závora, která pracuje na principu přerušení paprsku odraženého odrazkou. Díky tomuto uspořádání lze detekovat předměty na velké 28

29 vzdálenosti. Při použití laserové diody až na vzdálenost 50 m. Kvůli zamezení zpětného odražení paprsku od lesklých předmětů se snímač umisťuje pod úhlem 10. Odrazka musí mít správný tvar a velikost, která odpovídá velikosti detekovaného předmětu Jednocestné optické závory Tyto snímače se vyznačují především extrémním dosahem snímání oproti jiným optickým snímačům, který dosahuje až 300 m. Na této vzdálenosti je průměr paprsku světla cca 4,5 m. Dále nízkým vlivem okolního rušení a odstraněním vlivu odrazivosti detekovaného předmětu. Jsou však dražší a náročnější na instalaci. Vyžaduje 2x napájení, 2x kabel a je náročný na seřízení, což je důvodem jeho vyšší ceny oproti reflexním senzorům. U tohoto senzoru je vysílač světla oddělen od přijímače, což je hlavní rozdíl od reflexních senzorů. Paprsek tu prochází trasu jen jedním směrem a to je důvod velkého dosahu. Obr. 3.24Jednocestná optická závora Optovláknové snímače Jedná se o optické snímače vybavené optickými vlákny určené na speciální použití. Nejvíce se používají ve stísněných prostorách, nebezpečných podmínkách nebo pro detekování velmi malých předmětů či plošek jako jsou například vývody integrovaných obvodů. 29

30 Obr Příklad použití optovláknového snímače V některých specifických případech, kdy není možné umístit snímač ve vyhovující vzdálenosti od detekovaného předmětu nebo se jedná o nebezpečná prostředí jako například výbušná, radioaktivní, toxická či jiná prostředí kde není možné umístit elektroniku z důvodu vysokých teplot, vlhkosti, elektromagnetického pole se používají optovláknové snímače. Tyto snímače mají místo klasických vstupů, výstupů a čoček přímo v pouzdře napojená optická vlákna. Optická vlákna mohou mít délku i několik metrů. Neplní však funkci snímací, ale fungují jako dopravní vedení pro světlo. V oblasti detekování pak postačí mezírka o velikosti několika mm Kontrastní snímače Tyto snímače se používají v tiskařském a potravinářském průmyslu pro kontrolu etiketových a tiskových strojů. Jsou totiž schopny na čistém nebo lehce znečištěném papíře detekovat značku nebo potisk. Dokážou rozlišit různé kontrasty světla a to například rozlišit až 30 odstínů šedi. Fungují na energetickém principu. Vyšle se jeden nebo více po sobě jdoucích paprsků světla a snímá se jejich odraz od detekované plochy. Překročí li intenzita sejmutého světla určitou hranici, dojde k vyhodnocení a signalizaci přítomnosti určité značky. Důležitý je kontrastní rozdíl mezi značkou a podkladem. Podklady mohou být z různých materiálů. U lesklých jako je například kov nebo umělá hmota je třeba senzor umístit šikmo k snímanému objektu. 30

31 Obr Princip kontrastního snímače Snímač má také takzvaný režim učení, pomocí kterého se nastaví. Obvykle se provádí nastavení předkládáním ploch nebo značek, které má snímač rozpoznat a které ne Luminiscenční snímače Tyto snímače se vyznačují schopností snímat přítomnost materiálů pod vrstvou jiných materiálů, jako například přítomnost lepidla pod etiketou. Využívají luminiscence objektu ozářeného UV zářením. Fungují na stejném principu jako ostatní optické snímače, kdy je vyslané světlo odraženo od objektu a přijato optickým snímačem. Jediným rozdílem je povaha přeměny vysílaného světla na světlo detekované. Některé látky, jako například guma nebo lepidlo, totiž po ozáření UV světlem vyzařují světlo viditelné. Zdroj ultrafialového světla bývá obvykle polovodičový, často jako UV LED dioda a pro větší vzdálenosti UV laser. UV záření odpovídá vlnové délce 100 až 380 nm. UV LED diody používané v luminiscenčních snímačích emitují záření a vlnové délce 360 až 380 nm. Jako snímač odraženého záření se používají fotodiody nebo fototranzistory. Snímací vzdálenost se u těchto snímačů pohybuje od 0 do 200 mm. Některé snímače obsahují i optiku pro přesné směřování paprsku a přijímání odraženého světla Snímače barvy Tyto snímače mohou detekovat barvu a tím například třídit výrobky na dopravníku. Jsou schopny detekovat jednu konkrétní barvu v záplavě jiných, anebo tyto barvy od sebe oddělit. 31

32 Obr Princip snímání barvy Snímač barvy je nejčastěji realizován integrovanou CMOS součástkou, která kromě fotocitlivých prvků obsahuje také obvody pro předzpracování signálu. Barva se detekuje na principu jejího rozložení na základní složky RGB a následným porovnáním úrovně signálu každé složky s uloženou hodnotou, která byla získána z cyklu učení na konkrétní barvu. Díky tomuto principu je možné každý snímač naučit detekovat libovolnou barvu ze spektra. Používají se dva typy konstrukce čipu. Buď jsou jednotlivé snímací fotodiody s barevnými filtry vedle sebe, což je levnější ale při stejném počtu fotodiod má menší rozlišovací schopnost pro konkrétní barvu a její rozložení na snímané ploše. Další možností je umístění jednotlivých fotodiod detekujících danou barvu nad sebe a tím dojde prakticky ke ztrojnásobení počtu citlivých plošek. Využívá se toho, že světlo různé vlnové délky proniká do křemíku a ostatních materiálů používaných pro výrobu čipů jen do určité hloubky. Lze tak nad sebe umístit fotodiody tak, že příslušná dioda pro určitou barvu bude pouze v oblasti, kam proniká jen určitá vlnová délka světla (viz. Obr. 2.29). Odpadají tak externí barevné filtry, které zde nahrazuje určitá tloušťka vrstvy materiálu nad citlivou oblastí. [4] 32

33 Obr Porovnání klasické a paralelní struktury snímacího čipu Obr Náhradní schéma vícevrstvého detektoru Prosvětlovací snímače Pomocí těchto snímačů se odměřují přesné souřadnice. Tyto snímače se rozdělují do dvou skupin na snímače absolutní a snímače přírůstkové. Pracují na velmi jednoduchém principu rozdělení úhlové nebo délkové míry na určitý počet stejných dílků. Pomocí snímače se jednotlivé dílky snímají a každému dílku odpovídá jeden impuls. Poloha je dána počtem impulsů z polohy předcházející. Snímání se provádí prosvětlováním nebo odrazově. Princip tohoto měření se nazývá relativní nebo také přírůstkový. Snímač se skládá z prosvětlovacího měřítka a pevné části, na které jsou dvě skupiny značek, které jsou vzájemně posunuté. Paprsek prochází přes posuvné měřítko a pevnou část na fotoelektrické čidlo. Dělení může být až 0,8 µm a při větších odměřovacích vzdálenostech se měřítka skládají. 33

34 U absolutních snímačů se využívá binárního nebo bratova kódu kde počet stop závisí na měřené délce. Každá stopa se snímá samostatně, avšak výstupní signál z jednotlivých fotoelektrických snímačů je zpracováván společně. Absolutní snímač je spolehlivější, ale jeho celková konstrukce je složitější a dražší než u snímače přírůstkového. [1] Obr. 3.30Prosvětlovací snímač Obr. 3.31Prosvětlovací snímač kruhový 3.9 Magnetické snímače Umožňují detekovat objekty i skrz nemagnetické materiály a mají relativně velký dosah při malých rozměrech. Existuje více provedení magnetických snímačů. Jedná se především o tradiční Reedův snímač, snímač s nasycovacím jádrem a snímač využívající Hallova jevu Reedův snímač Jedná se o snímač s jazýčkovým kontaktem, který je vložen ve skleněné baňce naplněné inertním plynem. Kontakty jsou citlivé na vlivy magnetických polí, které mohou být vytvořeny magnety, cívkami nebo procházejícím elektrickým proudem. Sepnutí či rozepnutí kontaktů je způsobeno opačnou magnetickou polaritou, kterou vytváří indukce. Povrch kontaktů je potažen kvalitními materiály jako například zlato, 34

35 wolfram, rhodium. Díky tomu lze spínat napění v rozsahu 10 až 30 V stejnosměrných nebo 20 až 240 V střídavých. Spínací vzdálenost je ovlivněna používaným magnetem, minimálně však 10 cm. Tyto snímače se vyznačují vysokou spínací frekvencí až stovky Hz a dlouhou životností kontaktů až stovky miliónů operací. Obr Princip Reedova snímače Snímač s nasycovaným jádrem V praxi se tento snímač obvykle nazývá jako megnetoindukční nebo magnetický senzor. Vnitřní zapojení senzoru obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů. Obr Řazení bloků uvnitř snímače Coil - Cívka s jádrem s velkou permeabilitou Evaluation Circuit Vyhodnocovací obvody Output Circuit Koncový stupeň Jádro cívky je z amorfního kovu. Tento materiál vykazuje velmi vysokou permeabilitu, nízké hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy. Cívka buzena střídavým proudem konstantní amplitudy, který vyvolá rozkmit intenzity magnetického pole okolo pracovního bodu, působením vnějšího magnetického pole dojde k posuvu bodu na magnetizační křivce. Důsledkem je snížení permeability a tím i indukčnosti cívky. Mírou intenzity magnetického pole je pak měřený úbytek napětí na cívce nebo, jako 35

36 změna kmitočtu a amplitudy signálu generovaného oscilátorem, kterého je cívka snímače součástí Hallova sonda Hallův jev spočívá v tom, že příčné magnetické pole působí na polovodič, jímž prochází elektrický proud. Tím se v polovodiči indukuje Hallovo napětí, které se mění se změnou indukce. Je důležité udržovat konstantní proud snímačem, aby se změna Hallova napětí rovnala pouze změně indukce magnetického pole. Výstupní napětí je malé (v řádu 30 mikrovoltů), je nutné jej připojit na vstupy diferenčního nízkošumového zesilovače s velkým vstupním odporem. Princip těchto snímačů je založen na detekci změny polarity magnetického pole permanentního magnetu snímaného Hallovým snímačem. Snímač může být použit pro měření úhlové výchylky ale také pro lineární posunutí v rozsahu 0 až několik desítek metrů. U lineárního provedení se využívá dlouhý speciální magnetický pásek, který se umísťuje na rovnou plochu v celé délce pohybujícího se objektu. Na pevnou konstrukci vůči pásku se umístí snímač, který kromě vyhodnocovací elektroniky obsahuje i Hallův snímač. Pásek je vlastně nekonečný permanentní magnet, na kterém se pravidelně střídají oblasti severního a jižního pólu. Díky tomu se jeho pohybem ve snímači generuje střídavý impulsní nebo analogoví elektrický signál. Obr Lineární magnetický snímač Pomocí generovaných impulsů je možné měřit relativní pohyb v milimetrech či metrech. Další možností je zjištění rychlosti pohybu z periody střídání impulsů. Přesnost závisí na velikosti plošek s opačnými póly střídajících se na pásce. Pro 36

37 možnost zjištění směru pohybu bývá snímač dvoukanálový, u kterého jsou obvykle použity dvě Hallovy sondy. Kanály jsou vzájemně posunuty o Využití snímačů [5] Snímače polohy mají široké uplatnění, od bezpečnostních prvků po provozní účely. Každý typ snímače má jisté výhody které se dají využít ve specifických prostředích jako je například prostředí s nebezpečím výbuchu, prašná prostředí, 4.1 Odporové Tyto snímače jsou vhodné především ke snímání úhlů. Díky své jednoduchosti a velkému sortimentu se dají využít u manipulačních zařízení. Jejich hlavní nevýhodou je díky pohyblivé části sběrače opotřebení a vliv vibrací. 4.2 Indukční snímače Prakticky veškerý mechanický pohyb, lze detekovat a řídit s použitím indukčních snímačů polohy, ať již s analogovým nebo číslicovým výstupem. Proti jiným metodám a senzorům se indukční senzory vyznačují hlavně velkou odolností proti nepříznivým okolním pracovním podmínkám, jako jsou prach, olej, voda, vlhkost, elektromagnetické rušení, teplota. Proto je lze přímo, bez přídavné izolace apod., použít na exponovaných místech vystavených nepříznivým podmínkám například v dopravních prostředcích, výrobních provozech těžkého strojírenství, venkovní provozy apod. Lze je použít například v těchto aplikacích: Strojní průmysl - obráběcí stroje, řízení svářecích robotů, dopravníků, detekce posunu, dorazy. 37

38 Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky Dřevoobráběcí stroje Montážní linky Textilní stroje Automobilový průmysl - detekce pohybu kol automobilů (ABS, ESP) Bezdotykové koncové spínače na strojích Detekce natočení a otáčení, Měření a detekce přiblížení kovového předmětu, detekce vyosení Detekce pohybu a posuvu dopravníky, soustruhy 4.3 Kapacitní snímače Mají podobné uplatnění jako ty indukční. Typicky pro snímání polohy nekovových materiálů Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, detekce tloušťky materiálu Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky Dřevoobráběcí stroje Montážní linky - nastavení pozice Textilní stroje Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky Detekce malých kovových plošek (lepší citlivost než indukční senzory) 4.4 Ultrazvukové snímače Ultrazvukové snímače mohou pracovat v kapalinách i plynech. Jejich rozsah je omezen dosahem ultrazvukových vln v pracovním médiu. 38

39 Přesnost měření závisí na tvaru a kvalitě měřeného tělesa, od kterého se signál odráží. V úvahu je také třeba brát kolísání teplot, tlaku ale také vlhkosti. Všeobecně lepší podmínky jsou v kapalinách. Zde jsou tyto snímače využívány především v lodních aplikacích. Snímání a detekci polohy libovolných materiálů Detekce průhledných předmětů Nasazení v prašném nebo vlhkém prostředí Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu Dřevoobráběcí stroje Montážní linky - nastavení pozice Textilní stroje Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky 4.5 Optické snímače Dnes již pro snímání a detekci polohy téměř libovolných materiálů (pro průhledné materiály jsou obvykle speciálně určené senzory) Detekce na vzdálenosti až desítek metrů Snímání pohybujících se předmětů i různých teplot Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli Potravinářský průmysl - např. zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince, kontrola obsahu krabic, kontrola velikosti cukrářských výrobků Sledování a detekce otvorů ve výrobcích Kontrola velikosti předmětů Kontrola naplnění různých zásobníků Zjišťování chybných etiket 39

40 4.6 Magnetické snímače Identifikace objektu skrz nádobu z umělé hmoty Identifikace objektu v agresivním prostředí přes teflonovou stěnu Identifikace objektu v oblasti vysokých teplot Rozpoznání daného magnetu prostřednictvím kódování V elektromechanických, jeřábových, manipulačních systémech Měření otáček, detekce natočení a otáčení (velmi rychle reagovat na změnu stavu) Měření limitů, hladin, polohy apod. Indikaci polohy v oblasti vysokých teplot - magnetické pole je možné přenášet magnetickými vodiči a vlastní indikaci provádět ze vzdálených míst. Snímaní poloh pneumatických a hydraulických válců 4.7 luminiscenční snímače V praxi se vyskytují některé i poměrně běžné látky, jako jsou guma nebo lepidlo, které po ozáření UV světlem vracejí (vyzařují zpět) světlo viditelné. Toho se často využívá při inspekčních mechanismech. Typickým příkladem luminiscenčních senzorů je zjišťování přítomnosti kolků na krabičkách cigaret a na alkoholu. Zachycení zpětné radiace lepidla pod kolkem je nejspolehlivější způsob jak zjistit jeho přítomnost při rychlém projíždění na dopravníku. Detekce lepidla Detekce dřeva Detekce přítomnosti gumy a pryže Papírenský průmysl Potravinářské provozy Balicí linky 40

41 4.8 Kamerové snímače S rychlým vývojem CMOS obrazových čipů, procesorů a hlavně algoritmů pro zpracování obrazu je možné dnes již vyrábět kamerové senzory pro kontrolu, detekci a třídění výrobků. Kontrola nalepení správné etikety na správný výrobek Kontrola zavřené láhve Hlídání data spotřeby na výrobcích Kontrola etiket a označení na výrobcích Zjištění kompletnosti výrobku Změna směru dopravy výrobků dle etiket, barvy, tvaru nebo textu 5 PŘENOS DAT ZE SNÍMAČŮ Data, která získáme ze snímačů, musíme nějakým způsobem přenést. Je mnoho možností přenosu dat od vedení pomocí kabelů až po bezdrátový přenos. V dnešní době je většina snímačů řešena jako kompaktní jednotka a již obsahuje pomocné obvody pro zpracování signálu, jako jsou zesilovače, galvanické oddělovače a další prvky. 5.1 Kabely Tento způsob se využívá v největší míře. Jedná se o klasické svazky vodičů, které jsou většinou stíněné kvůli vlivům okolního prostředí. Je důležité vědět, do jakého prostředí chceme kabely požít a na jaké vzdálenosti se budou data přenášet. Do 100 m postačí průřez vodiče 0,5 mm² a pro větší vzdálenosti 0,75 mm². U přenosu dat pomocí kabelů, lze jedním z párů vést napájení snímače. V tomto případě závisí průřez na velikosti proudu. Na délku kabelu má také vliv typ sběrnice, pomocí které je snímač připojen. 41

42 5.2 Proudová smyčka K propojení snímače a přijímače stačí jen dva vodiče. Mezi další výhody patří možnost přenosu dat na velké vzdálenosti i v prostředí s elektromagnetickým rušením. Lze snadno detekovat přerušení a to když proud poklesne k 0 ma. Také u tohoto způsobu zapojení se dá provádět napájení pomocí smyčky. Pomocí proudové smyčky se nejčastěji přenáší analogový signál. Přenos je realizován pomocí proudového rozmezí 4 20 ma. Dá se přenášet i digitální signál, kdy logická nula je vyjádřena 0 nebo 4 ma a logická 1 má hodnotu 20 ma. Do smyčky se zapojují dva typy komponentů a to aktivní nebo pasivní. Aktivní vkládají do smyčky zdroj napětí, kdežto pasivní vytváří úbytek napětí. Toto zapojení se typicky skládá ze snímače, převodníku napětí (ten převádí napětí na proud v rozmezí 4 20 ma), napájecího zdroje (většinou 24V nebo 12V) a přijímače, který převádí proud zpět na napětí. Proudová smyčka je realizována pomocí několik variant. Dvouvodičové, která je popsána výše. Třívodičové, která využívá třetího vodiče k zemnění. Čtyřvodičové kde je jeden pár využíván k přenosu dat a druhý k napájení. 5.3 Optický kabel Tento způsob přenosu má vyšší pořizovací náklady, ale umožňuje přenos dat na větší vzdálenosti. Signál je tu přenášen světelnými impulzy. Přenos dat se děje šířením světla v optickém vlnovodu. Světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s rozdílnou optickou hustotou a tedy s rozdílným indexem lomu, z části se láme a prostupuje z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Pro každé optické rozhraní existuje mezní úhel odrazu. Pokud světlo dopadá pod tímto (nebo menším úhlem), dochází k takzvanému totálnímu odrazu, kdy se 100% světla odráží a neopouští prostředí, ze kterého přichází. 42