Senzory polohy. lineární / rotační

Transkript

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

2 Dvoustavové senzory polohy kontaktní: (switch) mikrospínač taktilní (vodivá guma) bezkontaktní: (proximity detector) magnetické optické elektromagnetické kapacitní...

3 Dvoustavové senzory polohy (proximity switch) dvoustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní...

4 Jazýčkové kontakty (reed contacts) magneticky měkké kontakty ovládány polem permanentního magnetu normálně rozepnutý hystereze malá je žádoucí vícenásobné zony sepnutí aplikace: otáčky (bicykl), poloha (dveře) Φ F k I 0 F 0 F 0 F 3' 3 4 1' 1 ' 5 6 x x a) 1' 1 ' b) x 1' 1 ' x c) d)

5 Jazýčkové kontakty: zony spínání ζ yζ S J ζ 0 Z Z V y V S J ζ 0 Z Z V y y V Z

6 Hallův spínač (Hall switch) nejrozšířenější senzor polohy často CMOS min. 3 vývody různé spínací charakteristiky vymezená frekv. oblast (dynamický typ = st) polarita a hystereze i diferenciální provedení i ve smart provedení Feromagnetické magnetorezistory: AMR: Anisotropní magnetoresistance GMR: Gigantická magnetoseristance

7 Hallův spínač (Hall switch) Honeywell

8 Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů Active Speed and Position Sensors for Engine Management Honeywell

9 Inteligentní Hallův senzor Micronas HAL 800: 3 vývody analogový <> digitální mod

10 Magnetorezistory feromagnetické: AMR (anizotropní magnetorezistance) cilivější než Hallův senzor citlivé v rovině chipu výr. Philips, Honeywell,... příp. GMR polovodičové: kvadratická charakteristika, vyšší B výr. Murata

11 Indukční cívka (indukční senzor) ovládána permanentním magnetem založena na Faradayově jevu aktivní senzor tvar impulsu záleží na rychlosti změny B N S N S Wiegandůvsenzor ovládán permanentním magnetem založen na asymetrickém Barkhausenově skoku je zdrojem energie (aktivní senzor) tvar impulsu nezáleží na rychlosti změny B

12 Wiegandůvsenzor B[mT] S 1 J U a) t t b) c) U[V] t 1 t t H [A/cm] Siemens

13 Odporové senzory polohy potenciometr (ne reostat): potlačení změn rezistivity - rotační U R R 1 x R - lineární jednootáčkový víceotáčkový mechanické převody lankový senzor polohy: do 40 m buben, pružina ev. nelineární průběhy

14 Indukčnostní senzory polohy Z(jω) = R + jω N Z m = R + jω R m N + jx m Z m... magnetická reluktance (L = N /Z m ) R m... magnetický odpor R m = l/µs X m... ztráty vířivými proudy a hysterezí Z(jω) = R + N Z m ωx (jω) m + j N Z m ωr (jω) m Pro malé f: R m >>X m vířivé proudy ovlivňují Re(Z),velké f: Im(Z) tlumivkové / transformátorové s otevřeným / uzavřeným magnetickým obvodem jednoduché / diferenciální

15 Senzory s vířivými proudy ρ δ = ωµ... zeslabení na 1/e = 0.37 i~ δ Magnetické pole Cívka Hrníčkové magnetické jádro a) Oscilátor Demodulátor Komparátor Zesilovač Stínění

16 Senzory s vířivými proudy: konstrukce fokusace pole: feritové jádro, ev. stínicí kryt

17 Senzory s vířivými proudy: aplikace lineární senzory polohy dvoustavové senzory polohy (proximity switch) detekce vozidel (a vodivých objektů - miny, potrubí, kabel) diagnostika trhliny složení materiálu u m u Φ i s u s bezkontaktní odolné špíně terčík nemusí být feromagnetický, jen vodivý málo závisí na jeho parametrech (pokud d >δ ) u 1 i w vyhodnocovací obvody: LC oscilátor nebo cize buzený LC rezonanční obvod

18 Indukčnostní senzory s proměnnou vzduchovou mezerou m m m jx R N j R Z N j R j Z + ω + = ω + = ω ) ( R m... magnetický odpor R m = l/µs d d Fe r Fe i i i i m S d S d S l S l R µ µ + µ µ = µ = S x I(j ) ω N a d m S d N R N L 0 µ = =

19 Diferenční indukčnostní senzor x Z(j 1 ω) Z(j ω) U(j v ω) x U(j z ω) R U(j v ω) R linearizace hyperbolické charakteristiky

20 LVDT = Linear Variable Differencial Transformer ± l M 1 + l - l L S 1 L 1 U (jω) U V0 (jω) P U z (jω) U (jω) S I 1 (jω) M L M,M 1 M 1 U V0 a) b) M Synchronní detektor: potlačí kapacitní rušivý průnik a rušení rozliší směr posuvu M

21 Poměrový obvod pro LVDT (AD 698) AD698 BUZENÍ REFERENCE OSCILÁTOR V B SD1 + A B FILTR V OUT V A SD - LVDT

22 Induktosyn výstup p x napájení do 1 jezdce měřítko jezdec x x U = KU cos(π ) = KU cosϕ p vzáj.indukčnost M ~cosϕ U = cos ωt u ( t) = KU cos ϕcos ωt napájení do jezdců u ( t) = u 1( t) + u ( t) = KU (cosϕ cosωt + sinϕ sinωt) = KU cos( ωt ϕ) hrubá stupnice: inkrementální, jemná: měření fáze

23 Induktosyn - napájení do měřítka p výstup x měřítko jezdec x u 1( t) = KU sinϕ sinωt u ( t) = KU cosϕ sinωt u3( t) = KU (sin ϕcosα cosϕsin α)sin ωt = KU sin( ϕ α) sin ωt i(t) induktosyn násobička sin; cos fázovací člen sin cos obousměrný čítač generátor impulsů AD S90

24 Resolver Selsyn stator stator α α rotor a) b) rotor R/D converter : ADS100

25 R/D converter : ADS100

26 Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna... v = 3000 m/s = 3µm / ns (původně zpožďovací linka) Induction pickup coil Magnetostrictive wire Strain pulse Induction pickup senses initial and reflected strain pulses S N N S S N N S S N N S Inner Tube Outer guide tube Magnet in Strain pulse movable float Reflection terminator A B C max. délka až 4 m (útlum) hystereze 0.4 µm linearita 0.0 % Strain pulse reflected off bottom Patriot