Snımace polohy. Uc ebnıtext. VOS a SPS Kutna Hora

Transkript

1 Snımace polohy Uc ebnıtext VOS a SPS Kutna Hora

2 Obsah Snımace mechanickych velicin Snımace polohy Vlastnosti odporovych potenciometru Zapojenı odporoveho snımace polohy Typy odporovych potenciometru Snımace se skokovou zmánou odporu (kontaktnı) Mechanicke snımace Magneticke snımace Jazyckova rele - casove pru bá hy Indukcnı snımace polohy Tlumivkove snımace Snımace s prománnou plochou vzduchove mezery Snımace s otevrenym magnetickym obvodem Transforma torove snımace Odvozenı prevodnıch vztahu snımace LVTD Kapacitnı snımace polohy Principy kapacitnıch snımacu I Principy kapacitnıch snımacu II Máricı obvody kapacitnıch senzoru Bezkontaktnı snımace polohy Vlastnosti bezkontaktnıch snımacu Bezkontaktnı indukcnı snımace Parametry indukcnıch snımacu Mechanicke provedenı Elektricke pripojenı indukcnıho snımace Bezkontaktnı kapacitnı snımace Bezkontaktnı snımace - redukcnı faktor Opticke snımace Opticke absolutnı snımace polohy Opticke inkrementa lnı snımace polohy

3 Obsah Vyhodnocovacı obvody inkrement. snımacu Provedenı inkrementa lnıch snımacu Opticke limitnı snımace Jednocestne systemy Reflexnı a snımacı systemy Provedenı a pouzitı optickych systemu Ultrazvukove snımace Typy ultrazvukovych snımacu Ultrazvukove snımace - dokoncenı

4 Snımac e mechanicky ch velic in Rozdelenı snımacu Podle druhu me renů fyzika lnı velic iny polohy rychlosti a zrychlenı kmitavůho pohybu mechanickůho nape tı sıly... atd. Podle prube hu vystupnıho signa lu spojitů limitnı cıslicovů Podle principu c innosti mechanicků odporovů magneticků indukc nı kapacitnı opticků ultrazvukovů...atd Podle zpusobu odme rova nı absolutnı prırustkovů (inkrementa lnı) smısenů

5 Snımace polohy Odporový snımace Vlastnosti odporovy ch potenciometru Rozlisovacıschopnost Uda va jakyšhlovy, prıpadná delkovyinkrement dokaze potenciometr spolehlivá rozlisit. Nejvyssı rozlisenı majı potenciometry vrstvove (az 0,01%), u vinutych potenciometru je rozlisenı da no skokovou zmánou odporu pri pohybu jezdce mezi sousednımi za vity. Linearita Uda va nejvátsı odchylku vystupnıho napátı od vztazne prımky. Uda va se v procentech napa jecıho napátı. Zivotnost Je definova na jako pocet otocenı hrıdelkou pri zadanych provoznıch podmınka ch a pri dodrzenı provoznıch vlastnostı v prıslusnych mezıch. Zivotnost vinutych typu je ra dová 106, vrstvovych a hybridnıch typu 107. Provoznıkroutıcımoment Je definova na jako nejvátsı kroutıcı moment v obou smárech otacenı, ktery je potreba k rovnomárnemu tocenı hrıdelkou v celem mechanickem rozsahu pri udane rychlosti..

6 Vlastnosti odporovy ch potenciometru Teplotnıkoeficient odporu (jen pro dra tovů potenciometry) Stanovı se na za kladá zmány odporu pri zmáná teploty vzdy o 1 C proti vztazne teplotá. Vypocıta se ze vztahu: TK = R 1 R ( T R R ) 6 kde: R 1 je odpor v Ω pri vztazne teplotá R 2 je odpor v Ω pri márıcı teplotá T 1 je vztazna teplota ve C T 2 je márıcı teplota ve C Sum Sum potenciometru vznika pri pohybu jezdce po vinutı a je zpu soben mechanickymi i elektrickymi efekty. U vinutych potenciometru muze byt zpu soben odskakova nım jezdce.

7 Zapojenı odporovýho snımace polohy Potenciometricke zapojenı Graf za vislosti U 2 a polohy R 1 U R R 1 R 2 x R z U 2 U 20 R 2 R z U 2 u Za vislost mezi me renou polohou a vystupnım nape tım U2. U U 2 = 1 a 1 + p 1 ( a) kde x x 2 a = p = R R Z x 2... vzda lenost jezdce od poca tku odporove dra hy x... celkova delka odporove dra hy

8 Typy odporovy ch potenciometru Rozdelenı Podle tvaru dra hy linea rnı profilovů Podle materia lu odporovů dra hy kovovů dra tovů vrstvovů nekovovů uhlıkovů vodivů plasty (CP) cermentovů (keramika + kov) elektrolyticků Podle pohybu be zce rotac nıjednootackovů rotac nıvıceotackovů posuvnů

9 Snımace se skokovou zmenou odporu (kontaktnı) Preva de jızme nu polohy sledovanůho objektu na skokovou zme nu odporu zpusobenou prepına nım kontaktu. Vystupnısigna l je tedy logickůho typu (sepnuto - vypnuto). Rozdelenı mechanicků magneticků

10 Mechanický snımace Pu sobenım neelektricke veliciny (mechanickym pohybem) docha zı ke skokove zmá ná odporu prepına nım kontaktu. Nejcastájsı aplikacı je márenı polohy pohybujıcıch se ca stı ru znych technickych zarızenı, kde jsou souca stı tzv. koncovych spınacu. Foto mechanickych snımacu a) pr epınacı mechanizmus b) spınacprımy c) spınackladickovy d) spınacza padkovy

11 Rozdelenı kontakty jazyckoveho rele wiegandovy sondy hallovy sondy Kontakty jazy ckovýho relý Magnetický snımace Princip spocıva ve vyuzitı silovych šcinku magnetickeho pole permanentnıho magnetu na jazycky z magneticky mákkeho materia lu zatavene do sklenáne trubicky plná ne inertnım plynem. F M 2 Φ = F = k M 2µ S 0 δ 0 δ 2 F M sıla vyvolana perm. magnetem F D direktivnı sıla µ 0... permeabilita vakua S... prekryvajıcı se plocha jazyck u k... tuhost jazyck u δ 0... poca tecnı poloha δ... poloha Na kontakty pu sobı sıla F = F M - F D

12 Jazy ckova relý - casový pru behy Magneticky ovla dana jazyckova rele Zo ny spına nı jazyckoveho rele pri kolme orientaci magnet - rele

13 Indukcnı snımace polohy Princip indukcnıch snımacu polohy spocıv a v pr evodu polohy na zmenu vlastnıindukcnosti L, prıpadne vza jemnš indukcnosti M. Rozdelenı: Podle za kladnıho principu tlumivkovů transforma torovů. Podle provedenımagn. obvodu s otevreny m mag. Obvodem s uzavreny m mag. Obvodem Podle uspora da nısnımacıch prvku jednoduchů diferencia lnı Podle vazby s me renym predme tem dotykovů bezdotykovů

14 Tlumivkový snımace Tlumivkový snımace s uzavreny m magneticky m obvodem Snımace s promennou vzduchovou mezerou Uspora da nı snımace Pro indukcnost L platı priblizná vztah:: L 2 N Rm 2 N = 2d = 0 µ Za vislost L na d je hyperbolicka, S D snımac se pouzıva pouze v oblasti, kde je prevodnı charakteristika priblizná linea rnı - márenı malych posunu. Vátsı citlivosti (dvojna sobne) i linearity muzeme dosa hnout diferencnım snımacem

15 Tlumivkový snımace s promennou plochou vzduchový mezery Pouzıva se pro márenı strednıch posunu. Pro indukcnost L zde platı vztah: L = µ 0 S N 2d 2 l b dobre linearity lze dosa hnout pri x << b a d <<b. Schema a prevodnı charakteristika snımace:

16 Tlumivkový snımace s otevreny m magneticky m obvodem Princip spocıva ve zmáná indukcnosti cıvky v za vislosti na poloze feromagnetickeho ja dra. Snımace umoznujı márit pomárná velke posuny, ovsem presnost, ani linearita nejsou nejlepsı.

17 Transforma torový snımace Princip Vyhodnocenı zmány vza jemne indukcnosti mezi prima rnı a sekunda rnımi cıvkami. Prima rnı cıvka je napa jena ze zdroje strıdaveho napátı, takze vystupnı napátı sekunda rnıho vinutı je šmá rne má rene veliciná (poloze) Typ LVDT(Linear Variable Differential Transformer) Provedenı snımace Prevodnı charakteristiky

18 Odvozenı prevodnıch vztahu snımace LVTD Prima rnı proud ) ( ) ( L j R j U j I Z ω ω ω + = ) ( ) ( ω ω ω j M I j j U = ) ( ) ( ω ω ω j M I j j U = ( ) ( ) ωτ ω ω ω ω ω j M M j R j U L j R j U M M j U Z Z V + = + = 1 ) ( ) ( Sekunda rnı napá tı pri M = M 1 pri M = M 2 : Vystupnı napá tı napra zdno

19 Za kladnı principy Kapacitnısnımac e polohy Prevod márene veliciny na kapacitu kondenza toru a v jejı na sledne prevedenı na zpracovatelnysigna l (napátı, proud) v logicke nebo spojite formá. Za kladnım principia lnım vztahem je vzorec pro vypocet kapacity rovinneho deskoveho kondenza toru: C S kde: = e 0 e r d C ε 0 ε r S d je kapacita kondenza toru je permitivita vakua je pomárna permitivita je šcinna plocha elektrod je vzda lenost elektrod

20 Principy kapacitnıch snımacu I

21 Principy kapacitnıch snımacu II

22 Mericı obvody kapacitnıch senzoru U kol máricıch obvodu : Vyhodnocenı kapacity snımace a jejı prevod na napáďovynebo proudovysigna l šmá rnymá rene veliciná. Podmınka spra vne cinnosti kapacitnıch snımacu : Minimalizace vlivu parazitnıch kapacit, ktere mohou znehodnotit vysledek márenı. Nejjednodussı metodou je zkra cenı prıvodu k márıcımu clenu. Pokud to dana aplikace umoznuje, je vyhodne pouzıt snımac s integrovanym prevodnıkem. Metody vyhodnocenı kapacity snımace: Mu stkove metody - máricı kondenza tor je zapojen do jedne z vátvı mu stku napa jeneho harmonickym napá tım. Zpátnovazebnı obvody - máricı kondenza tor je souca stı dálice zapojeneho do zpátne vazby operacnıho zesilovace. Rezonancnı metody - máricı kondenza tor je souca stı LC obvodu, kapacita se preva dı na kmitocet oscila toru.

23 Bezkontaktnı snımace polohy Vyber vhodnšho snımace Nejdu lezitájsım krokem pri vybáru snımace zu sta va volba spra vneho funkcnıho principu, u nához jsou kritickymi faktory: materia l snımaneho predmátu spınacı vzda lenost elektricke pripojenı cena. Indukcnı snımacje vhodny, pokud je snımanypredmát z kovu Kapacitnı snımacpouzijeme pro papır, plast, olej, vodnı roztoky, granula t, pra sek, atd. Magneticky snımacpouzijeme tehdy, je - li mozne na snımanypredmát prilepit permanentnı magnet. U táchto metod je vyraznym omezujıcım faktorem snımacı vzda lenost, ktera cinı maxima lná 100 mm. Pro vátsı vzda lenosti je pak mozne volit z dalsıch metod, jako napr. ultrazvukovš, optoelektrickš, mikrovlnnš, atd.

24 Vlastnosti bezkontaktnıch snımacu Spınacı vzda lenost Spınacı vzda lenost uda va, pri jake vzda lenosti snımaneho predmátu od aktivnı plochy snımac zmánı svu j klidovystav. Je definova na pro kolme priblızenı k aktivnı plose snımace. Pro indukcnı a kapacitnı snımace platı na sledujıcı za vislost: s D / 2 kde s je spınacı vzda lenost D je pru már aktivnı plochy (celnı strany) snımace Hystereze Je rozdıl mezi polohou spınacıho bodu pri priblizova nı standardizovaneho márıcıho predmátu k aktivnı plose snımace a jeho polohou pri oddalova nı.

25 Bezkontaktnı indukcnı snımace Princip cinnosti Rozla ova nı oscila toru vlivem vırivych proudu po priblızenı kovove clonky k celu cıvky. Oscila tor vyzaruje do osy snımace vf elektromagneticke pole Priblızenım kovoveho predmátu k celu cıvky v nám vzniknou vırive proudy Vznik elektromagnetickeho pole, ktere tlumı kmita nı LC obvodu. Dojde k rozladánı oscila toru, jeho vystupnı signa l je demodulova n Kompara tor napátı z demodula toru porovna s prahovou hodnotu a v prıpadá prıtomnosti predmátu preklopı klopnyobvod.

26 Parametry indukcnıch bezkontaktnıch snımacu Spınacı vzda lenost S n Hodnota Sn se márı normalizovanou clonkou z oceli Fe 360 (ISO 360). Skutecna spınacı vzda lenost S= Sn. Korekcnı cinitel Materia l Korekcnı cinitel ocel 1,00 má 0,25-0,45 mosaz 0,35-0,50 hlinık 0,30-0,45 uslechtila ocel 0,60-1,00 nikl 0,65-0,75 seda litina 0,93-1,05

27 Mechanický provedenı Indukcnı snımace polohy se vyra bı v provedenı va lcovem hranolovem stárbinovem v provedenı s kruhovym otvorem. Materia l pouzdra a snımacı plochy vysoce jakostnı nerezova ocel 303 mosaz s povrchovou špravou niklem nebo teflonem plasticke hmoty (Crastin, Ryton,...)

28 Elektrický pripojenı indukcnıho snımace Indukcnı snımace polohy se z hlediska vystupnıho signa lu vyra bı v nákolika modifikacıch. Vystupnı napátı je vátsinou stejnosmárne, ale muzebyt i strıdave, jednotlive snımace se lisı šrovnı vystupnıho napá tı. Do elektrickeho obvodu se nejcastáji zapojujı dvámi nebo tremi vodici. U trıvodicoveho zapojenı rozlisujeme, zda za táz (napr. vstup programovatelneho automatu) bude zapojena proti spolecnemu kladnemu (NPN) nebo za pornemu (PNP) vodici. Vnitr nı obvody snımace Za tez

29 Bezkontaktnı kapacitnı snımace Snımacje slozen ze ctyr funkcnıch bloku : Dvá snımacı elektrody - kondenza tor se za kladnı kapacitou C RC oscila tor - máricı kondenza tor je souca stı RC oscila toru Komparacnı spınacı obvod Vystupnı obvod Oscila tor Zesilovac Kompara tor Vyst. obvod Pouzitı kapacitnıch snımacu papır, plast, olej, vodnı roztoky, granula t prasek, atd.

30 Kapacitnı snımace - redukcnı faktor Spınacı vzda lenost pro pr edmet z urcitšho materia lu je da na: S = S n. RF S S n RF spınacı vzda lenost jmenovita spınacı vzda lenost ( daj vyrobce) redukcnı faktor Prıklad: Kapacitnı snımac s jmenovitou spınacı vzda lenostı 10 mm bude pouzit pro detekci sklenánych predmátu. Urcete skutecnou spınacı vzda lenost. S = S n. RF = 10. 0,5 = 5 mm

31 Optický snımace polohy Princip optickych snımacu polohy spocıv a v modifikaci svetelnšho toku mezi vysılacem a pr ijımacem polohou snımanšho pr edmetu a na slednšm pr evodu na elektrickou velicinu. Rozde lenı: Podle zpu sobu odmerova nı se delı na: Absolutnı poloha je merena vzhledem k referencnımu bodu Inkrementa lnı poloha je merena vu ci pr edchozımu bodu Limitnı poloha je vyhodnocova na dvouhodnotove

32 Optický absolutnı snımace polohy Princip: Modifikace svátelneho toku sklenánym kotouckem se soustrednymi stopami s pru hlednymi a nepru hlednymi plochami ko dovanymi v Grayová ko du. Vystupnı signa l: digita lnı slovo (sırka=pocet stop), ktere reprezentuje polohu (šhlovou hodnotu) vztazenou k referencnımu bodu. Rozlisovacı schopnost α = 360/2 p [ ] p pocet stop Vyhody poloha je urcitelna v kteremkoli okamziku necitlivost na poruchy Nevyhody vyssı cena na kladne prıslusenstvı pro zpracova nı márenych dat, prenos a vyhodnocenı

33 Optický inkrementa lnı snımace polohy Princip: Minima lnı konfigurace obsahuje jeden svátelny zdroj, rotujıcı disk s pru hlednymi a nepru hlednymi dılky, dvá snımacı jednotky a vyhodnocovacı logicke obvody. Svátelnytok zdroje S (Ga-As-LED) upraveny nastrıknutou cockou P procha zı rastrem R ke dváma snımacım fotodioda m E1, a E2. Fa zovyposun UA, UB (90 ) je nutnypro vyhodnocenı smáru pohybu. Vátsı rozlisovacı schopnosti snımace dosa hneme prida nım pevneho optickeho rastru a vyuzitım nonioveho jevu.

34 Vyhodnocovacı obvody inkrementa lnıch snımacu Vyhodnocenı signa lu Signa l z fotodiod je upraven internımi tvarovacımi obvody Pocet impulsu nese informaci o poloze Sekvence signa lu UA, UB nese informaci o smáru pohybu Rozlisovacı schopnost snımace lze zvysit elektronicky Referencnı znacka jednou za otacku doda va prıdavnyreferencnı impuls. Inverznı kana ly zvysujı spolehlivost snımacu

35 Provedenı inkrementa lnıch snımacu Rotacnı Linea rnı snımacı kotoucky jsou nahrazeny linea rnımi optickymi rastry (posuvne márıtko a pevnyjezdec) Mericı krok je da n poctem segmentovych dılku na rotujıcım dálicım disku (50 az ) a vyhodnocovacı schopnostı elektronickych obvodu. (Dálenı disku se prova dı fotolitografickou technologiı podobná jako u integrovanych polovodicovych souca stek.) Inkrementa lnı snımace LARM Netolice

36 Optický limitnı snımace polohy Za kladnı vlastnosti Bina rnı vystup Bezdotykove snımace Necitlivost na elektromagneticka a jina pole Intrinsicka bezpecnost, umoznujıcı pouzitı ve vybusnem prostredı. Pr ehled zpu sobu snıma nı u optoelektron. systšmu podle DIN Jednocestne systemy prijımace cizıho zarenı, ktere neobsahujı vysılac svá telna za vora s oddá lenym zdrojem a prijımacem za renı svá telna mrız, sestavena z ná kolika seriovych svá telnych za vor svátelna za clona, pracujıcı s jednım zdrojem a jednım prijımacem zarenı, mezi nimi je soustavou zrcadel vytvorena sıďpaprsku reflexnı systemy reflexnı svá telna za vora reflexnı svá telna mrız reflexnı svá telna za clona snımacı (ohleda vacı) systemy

37 Jednocestný systýmy Svetelna za vora Vysılac nekoherentnı, ci laserova dioda vyzarujıcı ve viditelne nebo infracervene oblasti Prijımac detekce dopadajıcıho zareni, vyhodnocenı,odlisenı zarenı vysılace a svátlo dopadajıcı z okolı fotodioda, fototranzistor, ci slozitájsi optron, jehoz citlivost odpovıda vlnove delce vysılace. Vysılac Prijımac Clonka Svá telnypaprsek Opticka mrız Kombinace vıce svátelnych za vor a jejich logicke propojenım Hlıda plochu mezi vysılacem a prijımacem Svetelna za clona Zarenı jednoho vysılace vede po odrazu od soustavy zrcadel po ru znych dra ha ch, nez dospáje k prijımaci.

38 Svetelna za vora Reflexnı a snımacı systýmy Vysılac i prijımac svátla jsou konstrukcná spojeny do jedne jednotky Na opacne straná sledovaneho prostoru je umıstáno zrcadlo Zrcadlo musı zarucit spra vnyzpátnyodraz i pri svem na klonu Reflexnı plocha je slozena z trojzrca tek, tvorenych tremi navza jem kolmymi rovinami (roh krychle). Snımacı (ohleda vacı) systšmy Jsou podobne reflexnım systemu m Svátelnypaprsek je mısto zrcadlem odrazen predmátem Odraz je difšznı a odrazena je jen ca st dopadajıcıho zarenı. Ohleda vacı system tedy musı pracovat s vá tsım vykonem nez reflexnı.

39 Provedenı a pouzitı opticky ch systýmu Provedenı optickych snımacu Svá telna za vora Reflexnı snımac Márenı ota cek

40 Ultrazvukový snımace polohy Princip Ultrazvukove snımace pracujı na principu odrazu ultrazvukovych pulsu od detekovaneho objektu Ultrazvukovyprevodnık (kombinovanyvysılac/prijımac) vysle kra tkyzvukovypuls Prepne se do prijımacıho rezimu a je vyhodnocova n prijatyultrazvukovypuls, u ktereho se nejdrıve zjisďuje zda opravdu jde o echo vyslaneho signa lu. Na za kladá delky intervalu "vyslanypuls - echo je odvozeno, zda predmát lezı v nastavenem rozmezı

41 Typy ultrazvukovy ch snımacu Jednohlavovš systšmy Snımace pro prımou detekci s kombinovanym vysılacem a prijımacem vysılac + prijımac Dvouhlavovš systšmy Snımace pro prımou detekci s dálenym prijımacem a vysılacem vysılac prijımac objekt Ultrazvukovš za vory Snımace s pru chozım paprskem objekt prijımac vysılac objekt

42 Ultrazvukový snımace - dokoncenı Vyhodnocovacı obvody Generova nı vystupnıho signa lu, nesoucıho informaci o márenem predmátu Snımace s oddálenym vysılacem a prijımacem (typ b a c) jsou zpravidla bez vyhodnocovacı elektroniky - samostatne vyhodnocovacı jednotky Snımace se zabudovanou vyhodnocovacı jednotkou analogovy vystup dvoustavovy vystup Analogove snımace proudova smycka ma napáďovy vystup V Rozsah analogoveho signa lu, prıp. spınacı šrovná dvoustavovych vystupu se nastavuje dváma potenciometry nebo tzv. ucıcı elektrodou Detekovanš objekty Predmáty vhodne pro detekci vsechny tuhe a kapalne la tky a vsechny sypke materia ly (pısek, stárk, kamenı,..) tvar a barva odrazne plochy jsou libovolne (min. odrazova plocha dle katalogu) detekovane predmáty mohou mıt rovnáz va lcovyci vypouklynebo vydutytvar. Predmáty nevhodne pro detekci materia ly se spatnou odrazivostı zvuku (pánova guma, vysoka vrstva pány na hladiná kapaliny, jemna bavlna a vata..)