Senzory polohy, rychlosti a vibrací. Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.

Transkript

1 Senzory polohy, rychlosti a vibrací Evropský sociální fon. Praha & EU: Investujeme o vaší buoucnosti. P. Ripka,

2 Senzory polohy lineární / rotační Dvoustavové S koovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické Lineární oporové inukčnostní kapacitní optické ultrazvukové

3 Dvoustavové senzory polohy kontaktní: (switch) mikrospínač taktilní (voivá guma) bezkontaktní: (proimity etector) magnetické optické elektromagnetické kapacitní... 3

4 Dvoustavové senzory polohy (proimity switch) voustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wieganův senzor lineární senzor polohy komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní... 4

5 Jazýčkové kontakty (ree contacts) magneticky měkké kontakty ovláány polem permanentního magnetu normálně rozepnutý (i normálně sepnutý a bistabilní typ) hystereze malá je žáoucí vícenásobné zony sepnutí aplikace: otáčky (bicykl), poloha (veře) Φ F k I F F F 3' 3 4 ' ' 5 6 a) ' ' b) ' ' c) ) 5

6 Hallův spínač (Hall switch) nejrozšířenější senzor polohy často MOS min. 3 vývoy různé spínací charakteristiky vymezená frekv. oblast (ynamický typ st) polarita a hystereze i iferenciální proveení i ve smart proveení Feromagnetické magnetorezistory: AMR: Anisotropní magnetoresistance GMR: Gigantická magnetoseristance 6

7 Hallův spínač Honeywell 7

8 Inteligentní Hallův senzor V D D napájecí obvoy teplotní komp. oscilátor ochranné obvoy spínaná Hallova sona A/D DSP D/A Ω OUT etekce úrovně napájení EPROM zámek číslicový výstup GND Micronas HAL 8: 3 vývoy analogový <> igitální mo 8

9 Magnetorezistory feromagnetické: AMR (anizotropní magnetorezistance) cilivější než Hallův senzor citlivé v rovině chipu výr. Philips, Honeywell,... příp. GMR polovoičové: kvaratická charakteristika, vyšší B výr. Murata 9

10 Inukční cívka (inukční senzor) ovláána permanentním magnetem založena na Faraayově jevu aktivní senzor tvar impulsu záleží na rychlosti změny B N S N S Wieganův senzor ovláán permanentním magnetem založen na asymetrickém Barkhausenově skoku je zrojem energie (aktivní senzor) tvar impulsu nezáleží na rychlosti změny B

11 S Wieganův senzor B[mT] J U a) 3 t t b) H [A/cm] U[V] 3 c) t t t Siemens

12 Inukčnostní 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 opor R m l/µs X m... ztráty vířivými prouy 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 prouy ovlivňují Re(Z),velké f: Im(Z) tlumivkové / transformátorové s otevřeným / uzavřeným magnetickým obvoem jenouché / iferenciální

13 Senzory s vířivými prouy ρ δ ωµ... zeslabení na /e.37 i~ δ Magnetické pole ívka Hrníčkové magnetické járo a) Oscilátor Demoulátor Komparátor Zesilovač Stínění 3

14 Senzory s vířivými prouy: konstrukce fokusace pole: feritové járo, ev. stínicí kryt 4

15 Senzory s vířivými prouy: aplikace lineární senzory polohy voustavové senzory polohy (proimity switch) etekce voziel (a voivých objektů - miny, potrubí, kabel) iagnostika trhliny složení materiálu u m u Φ i s u s bezkontaktní oolné špíně terčík nemusí být feromagnetický, jen voivý vyhonocovací obvoy: L oscilátor málo závisí na jeho parametrech (poku >δ ) nebo cize buzený L rezonanční obvo u 5 i w

16 Inukčnostní senzory s proměnnou vzuchovou mezerou R m... magnetický opor R m l/µs Fe r Fe i i i i m S S S l S l R µ µ µ µ µ m S N R N L µ m m m jx R N j R Z N j R j Z ω ω ω ) ( S I(j ) ω N a 6

17 Diferenční inukčnostní senzor Z (j ω) Z (j ω) U v(j ω) U z(j ω) R U v(j ω) R linearizace hyperbolické charakteristiky 7

18 LVDT Linear Variable Differencial Transformer ± l M l - l L S L U (jω) U V (jω) P U z (jω) U (jω) S I (jω) M L M,M M U V a) b) M Synchronní etektor: potlačí kapacitní rušivý průnik a rušení rozliší směr posuvu M 8

19 Poměrový obvo pro LVDT (AD 698) AD698 BUZENÍ REFERENE OSILÁTOR V B SD A B FILTR V OUT V A SD - LVDT 9

20 Inuktosyn výstup p napájení o jezce měřítko jezec U KU cos(π ) KU cosϕ p vzáj.inukčnost M ~cosϕ U cosωt u ( t) KU cosϕcosωt napájení o jezců ( t) u ( t) u ( t) KU (cosϕ cosωt sinϕ sinωt) KU cos( ωt u ϕ hrubá stupnice: inkrementální, jemná: měření fáze )

21 Resolver Selsyn stator stator α α rotor a) b) rotor R/D converter : ADS

22 R/D converter : ADS

23 Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna... v 3 m/s 3µm / ns (půvoně zpožďovací linka) senzor torze S J posuv tlumení puls i(t) u(t) magnet trubka z magnetostrikčního materiálu ma. élka až 4 m (útlum) hystereze.4 µm linearita. % Animace: 3

24 Kapacitní senzory εs

25 Kapacitní senzory εs

26 Kapacitní senzor s proměnnou vzuchovou mezerou S, S ε ε !! ) ( ) ( f f f f f y δ δ δ δ δ δ Taylorova řaa f ) ( ( ) ( ) ( ) ,,, () f f f f δ δ δ δ δ δ

27 Diferenční Kapacitní senzor s proměnnou vzuchovou mezerou ,

28 Poměrová metoa -... úplně ostraňuje nelinearitu a závislost na alších parametrech (S, ε).

29 Kapacitní senzor s proměnnou plochou překrytí εs 3 a) nebo b) nezávisí na, ε

30 a) Kapacitní senzor s proměnnou plochou překrytí 3 3 b) u 3 3 u 3 3 u c) P P Reg. S U u v U U U ) u ; u u v t U u v U e) f) 3 3 rozlišovací schopnost: µm, chyba 5 µm

31 bezkontaktní Honeywell Omega

32 Kapacitní bezkontaktní senzory a snímače a) nevoivá b) clonka elektroa ε r s změna kapacity malá v f ε r, s c) ε r stínění voivá clonka uzeměná elektroa γ γ voivá clonka s v f s stínění elektroa s s clonka stření stínění velká v f s

33 Aktivní stínění pouzro zašpinění, orosení snímací elektroa kompenzační elektroa výstup napěťový sleovač stínění typicky pf, pro mm.. Δ 5 pf %

34 obvoy pro kapacitní senzory Hlavní problém - kapacity přívoů (napěťový zroj, měření prouu) nábojová pumpa (charge pump) lze realizovat obvoem MOS nejsou třeba transformátory převoník /f (multivibrátor) opane AD převoník /U kapacitní ZV ostraní frekvenční závislost rozlišovací schopnost < ff

35 u εs ( t) u ( t) ( t) U sin t S m ω lineární i pro mezerový s

36 Optoelektronické senzory polohy Založené na: změna polohy světelné stopy zastínění (optická závora) oraz zrcalový ifuzní interference oba šíření

37 (Position-Sensitive photo Detectors Polohově citlivé etektory) PSD ; L X B L X L A R R I I R R R I I L R R I I L X B L L I I A L L L L I I I I I I I B A B A B A

38 D a MOS obrazové snímače amplifier transistor column bus transistor microlens photoioe re color filter reset transistor row select bus silicon substrate n potential well MOS: piel tvořen fotoioou a MOS tranzistorem, napěťový výstup. Výběr řáku-sloupce spínacími tranzistory. Umožňuje zpracování obrazu na stejném chipu.

39 D harge ouple Devices Optoelektronické senzory s nábojově vázanou strukturou: piel tvořen MOS konenzátorem, ve kterém se vztvoří náboj úměrný epozici. Piely se postupně vyčítají pomocí analogového nábojového posuvného registru

40 Inkrementální senzor polohy λmin 7 µm Interpolátory: až 5 nm

41 Inkrementální senzor polohy λ posuvné měřítko U optika u λmin 7 µm rysky pevné clony D D t A U A Interpolátory: B až 5 nm λ/4 referenční značka D D U B U D D Kvaraturní?? výstupy U A U B U D a) L Q A O B t G L I O B K K t Ý princip čtyřnásobné D Q b) t interpolace c) Č Í T A Č

42 Kóový absolutní senzor polohy position α [] i magnetické proveení [] Grayův kó

43 Senzor clonicího typu (scanner) spojka laser rotující hranol Fotoetektor a přezesilovač cíl t buič motoru isplej vojitá erivace oscilátor systému čítač hralo t

44 Orazný senzor s amplituovou moulací aperture Rec Em Rec 3 Rec V V V V V Pro malé vzálenosti

45 Triangulační senzory cíl y -y y y o Θ laserová ioa -i A i i i etektor i s Pro stření vzálenosti Difusní oraz?? Úhel Θ typicky nastaven na 3 5

46 Pro největší vzálenosti Time of flight:. Přímá metoa - světlo uletí 3 cm za ns rozlišení cm na km. Metoa frekvenční moulace Používá se i pro ultrazvuk a raar

47 Interferometrické senzory polohy referenční zrcalo polopropustná měřicí plocha zrcalo u λ/ laser 45 u světlý pruh tmavý pruh Michelsonův interfermetr

48 Oporové senzory polohy R v R V U I R R z R U R R V R V A R v R D R D I a) b) Potenciometrické uspořáání potlačuje změny ρ

49 Oporové senzory polohy - úskalí konečný vst. opor elektroniky nelinearita ztrátový výkon P U /R oteplení, oběr kontakt (vliv nečistot a chem. prouktů) šum rift (louhoobě... %) ynamické vlast. (oskakování, tření) reproukovatelnost (<. %) linearita ráhy ( %.. ppm) šum ráhy (pro velká R) oolnost vůči vibracím životnost (typ. 6-8 cyklů)

50 Lineární potenciometr LONG STROKE LINEAR POTENTIOMETERS SPEIFIATIONS Total Resistance: 5 Ohms ± % Linearity: ±% S Hysteresis: ±." (.5 mm) Repeatability: ±.5" (. mm) Incremental Sensitivity:.5" Power Rating:.75 watts/stroke inch Temp. Range: -65 to 5 (-85 to F) Operating Force: 45 grams ( Lb) maimum Shaft:.36" (6 mm) iameter with ¼4-8 threae en aapter Life: million operations up to " stroke-erate proportionally for longer units (stanar rate of travel "/sec) Omega

51 Navijákový senzor polohy s viceotáčkovým potenciometrem

52 Senzory mechanického kmitavého pohybu (vibrací) - relativní senzor polohy vnější vztažný bo často bezkontaktní - absolutní uvnitř vztažný bo relativní senzor polohy elektroynamický senzor vibrací (geofon) piezoelektrické (~) a kapacitní () akcelerometry v a Akcelerometry pro inerciální navigaci akcelerometry s elektromechanickou zpětnou vazbou (servoakcelerometry)

53 Absolutní senzory kmitavého pohybu k Měřený objekt seismická hmotnost m M b (t) m - hmotnost k - tuhost pružiny b tlumení (viskozní) y(t) z(t) Pevný bo (event. myšlený) A Pohybová rce soustavy: Setrvačná síla z m b k t t z(t) (t) y(t) m b k t t přepokla: řešení y(t) (t) Tlumicí síla Y(jω)e X(jω)e jωt j( ωt ϕ) y m t Direktivní síla

54 Amplituová charakteristika: Zanebáme-li tlumení, rovnice se zjenouší na y t t ω y( t) y sinωt ( t) sinωt ω y sin ωt ω sin ωt ω sin ωt ke: y ω ω ω B b kr ω b b kr mω k m - poměrné tlumení - kritické tlumení - rezonanční frekvence

55 ω ω, B < ω y /ω -amplitua přímo úměrná. erivaci y(t) - režim měření zrychlení - princip AKELEROMETRU ω ω (t) - y(t) a z(t) m je v kliu (seismická hmotnost) - režim měření amplituy

56 Elektroynamický senzor vibrací y y y t - snímací cívka tlumicí vinutí 3 válcovitá část magnetic. obvou 4 permanentní magnet 5 - membrána - seismická hmotnost hmotnost cívky hmotnost vinutí - viskózní tlumení tvořeno inkukovanými prouy ve vinutí - inukované napětí u Blv je úměrné rychlosti pohybu cívky - univerzálnost GEOFONY - užití: vibrace strojů, stavebních konstrukcí, střežení chráněných prostor - levné f r.. Hz, m g.. 5 kg

57 Absolutní senzory zrychlení - Akcelerometry - měření zrychlení kmit. pohybu v širokém rozmezí kmitočtů > velká vlastní rezonanční frekvence - nejvhonější - piezoelektrické snímání polohy seismic. hmotnosti vůči pouzru senzoru velké k, malé m. Ale nefunguje - amplituová frekvenční charakteristika: A[B] 3 ω k m a pracovní oblast Frekvenční charakteristika piezoelektrického akcelerometru: a) ieální, b) skutečná b,,, ω ω n

58 Piezoelektrický akcelerometr (~) Smyková eformace -zmenšení citlivosti na rušivé vlivy (eformace záklany pouzra, teplotní ilatace, akustické efekty) elta shear akcelerometr se smykovým namáháním: záklana - segmenty 3 - trn 4 piezokeramické estičky - seismická hmotnost prstenec segmenty - k tuhost piezokeramické elementy fa. Bruel -Kjaer Ma. g

59 Mikromechanický akcelerometr - Realizován technologií MEMS 5 3 m 4 a U A U U B NO U B R NS SD Z - zákla estička z polykrystalického křemíku V U A U V REF G MHz - pružné tětivy zakotvené na monokrystalickém křemíkovém substrátu -zuby hřebínku stření pohyblivá elektroa ADXL, ADXL 5.. Elektrostaticky kompenzované ADXL.. Dvouosý nekompenzovaný DP

60

61 Senzory rychlosti pohybu - Derivace výstupního signálu senzoru polohy - Přímé měření: přímé měření rychlosti posuvného pohybu senzory úhlové rychlosti korelační princip měření relativní senzory zrychlení úhlového pohybu

62 Přímé měření rychlosti posuvného pohybu - typy. elektroynamické s t - s pohyblivou cívkou - pracují na principu inukčního zákona: S u Blv J 3. elektromagnetické u(t) - s pohyblivým magnetem nebo částí mag. obvou - pracují na principu Faraayova zákonu: Φ u N t snímací cívka permanentní magnet feromagnetické těleso S J (t)

63 Senzory úhlové rychlosti - tachometry stejnosměrné točivé stroje S U ω c J r ω c h U (NhrΦ) ω - tachometry s více pólovými vojicem tachoynama - umožňují inikaci směru otáčení -náhlé změny rychlosti příavné chyby způsobené inukčností cívky -nutný komutátor tachoalternátory s rotujícími permanentními magnety: - vinutý stator - rotor s několika pólovými vojicemi z permanentních magnetů - bez kartáčů c N.. počet závitů

64 Impulsní senzory rychlosti: - vycházejí z efiničních vztahů: v s t ω ϕ t - jená se o způsob etekce polohy značky: a), c) inukční senzor b) Wieganův senzor ) Dvoustavové senzory polohy e) senzor na principu vířivých prouů f) optoelektronický senzor

65 Korelační princip měření rychlosti - vychází ze vztahu: v t - vzálenost senzorů snímajících ifúzní obraz světelného záření o náhoně rozložených nerovností na povrchu zkoumaného objektu - vzorky signálu:. senzoru. senzoru s s (nt (nt V V ) ) - hleáme v záznamu s (nt ) opožěnou repliku. senzoru tj. - úloha se řeší hleáním zpožění τ s (nt ) V V τ D N n [s (ntv ) s (ntv τ)] - stření kvaratická honota rozílu - N počet vzorků

66 D N n s N N (ntv ) s τ V τ n (ntv )s(ntv ) s (nt ) n - první a poslení člen opovíají energii (proto jsou >) D minimální, kyž. člen (číslicová verze korelace) je maimální tj. N R( τ) s(ntv )s(ntv τ) ma n - rychlost určíme pole vzorce: v τ ma R (τ) S S v τ ma τ

67 Senzor úhlové rychlosti na principu oriolisovy síly F m ω v r ω i v r V n R KD U v V Z

68 -Dual Ais Angular Rate Sensor (Berkeley) kruhová konstrukce umožňuje simultánní -osé měření Min. /sec, Hz banwith -Butterfly-Gyro (SensoNor) bloky vibrující v protifázi (fork gyro) (menší offset a závislost na lin. vibracích) approimately. /sec at 5 Hz banwith

69 (YAZDI N., AYAZI F., NAJAFI K) (DELPHI INTELLEK) Gyroscopes with vibrating ring Scanning Electron Photomicrograph of thesensor

70 Optický vláknový gyroskop Ω Φ Φ Φ R ΩR n c R u R t π π ΩR n c R u R t π π 4 4 n c ΩR R Ω n c ΩR ΩR n c R ΩR n c R t π π π π Ω c n R t n c λ π λ π ϕ 8 c v n c v n c u

71 Gyroskop s optickými vlákny Z zroj D ělič svazku P polarizátor S kolimační optika F optický filtr FM fázový moulátor Sagnacův interferometr