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 přednáška 7 1
Obsah Přehled metod měření lineární polohy a vzdálenosti Měření úhlové polohy Optoelektronické senzory 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 2014 A3B38SME přednáška 7 2
lineární / rotační Senzory polohy Dvoustavové S kodovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické Lineární odporové indukčnostní kapacitní optické ultrazvukové 2014 A3B38SME přednáška 7 3
Dvoustavové senzory polohy (proximity switch) dvoustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní... 2014 A3B38SME přednáška 7 4
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) 2014 A3B38SME přednáška 7 5
Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů Active Speed and Position Sensors for Engine Management Honeywell 2014 A3B38SME přednáška 7 6
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 2014 A3B38SME přednáška 7 7
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 2014 A3B38SME přednáška 7 8
Odporové senzory polohy (opakování) Proudové napájení potlačuje vliv odporu přívodů, ale vliv ρ Potenciometrické uspořádání potlačuje změny ρ Navijákový senzor polohy s viceotáčkovým potenciometrem 2014 A3B38SME přednáška 7 9
Optoelektronické senzory polohy Založené na: změna polohy světelné stopy zastínění (optická závora) odraz zrcadlový difuzní interference doba šíření 2014 A3B38SME přednáška 7 10
Optické detektory : fotodioda Ripka (ed): Modern Sensors Handbook 2014 A3B38SME přednáška 7 11
2014 A3B38SME přednáška 7 12 (Position-Sensitive photo Detectors Polohově citlivé detektory) PSD ; 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 2 1 0 fotodioda s rozdělenou anodou, i zde se používá záporné předpětí
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. 2014 A3B38SME přednáška 7 13
CCD = Charge Coupled Devices Optoelektronické senzory s nábojově vázanou strukturou: pixel tvořen CMOS kondenzátorem, ve kterém se vytvoří náboj úměrný expozici. Pixely se postupně vyčítají pomocí analogového nábojového posuvného registru. Na konci řádku je nábojový zesilovač. 2014 A3B38SME přednáška 7 14
Inkrementální senzor polohy min = 7 m Interpolátory: až 50 nm Existují i v magnetickém a kapacitním provedení 2014 A3B38SME přednáška 7 15
Inkrementální senzor polohy magnetický princip 2014 A3B38SME přednáška 7 16
Inkrementální senzor polohy min = 7 m Interpolátory: až 50 nm?? Kvadraturní výstupy 2014 A3B38SME přednáška 7 17
Kódový absolutní senzor polohy position i magnetické provedení Grayův kód 2014 A3B38SME přednáška 7 18
Reflexní senzor s difusním odrazem Pro malé vzdálenosti Založen na difusním odrazu Pro potlačení vlivu okolního potlačení se používá modulace světla použití hlavně pro detektory polohy (proximity switch) možnost kompenzace odrazivosti a náklonu více senzory aperture Rec 2 Em Rec 3 Rec 1 2014 A3B38SME přednáška 7 19
Retroreflektivní senzor s odražečem 2014 A3B38SME přednáška 7 20
Triangulační senzory Difusní odraz?? Pro střední vzdálenosti přesnost až 10 m 2014 A3B38SME přednáška 7 21
Optická závora 2014 A3B38SME přednáška 7 22
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 2014 A3B38SME přednáška 7 23
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 2014 A3B38SME přednáška 7 24
Senzor clonicího typu (scanner) 2014 A3B38SME přednáška 7 25
čtečky čárového kódu 1. pero konst. rychlost 2. CCD snímač 3. laserový snímač až do 10 m 4. obrazový snímač www.denso-wave.com 2014 A3B38SME přednáška 7 26
Interferometrické senzory polohy Michelsonův interfermetr 2014 A3B38SME přednáška 7 27
Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna... v = 3000 m/s = 3m / ns (původně zpožďovací linka) max. délka až 4 m (útlum) hystereze 0.4 m linearita 0.02 % Animace: http://www.rdpe.com/ex/hiw-magneto.htm 2014 A3B38SME přednáška 7 28
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) 2014 A3B38SME přednáška 7 29