. SENZORY POLOHY Senzory polohy, posuvu a rozměrů se vyrábějí v rotačním nebo lineárním proveení. Můžeme je rozělit o násleujících kategorií: voustavové senzory (polohové spínače) o kontaktní: mikrospínače, taktilní spínače o bezkontaktní (proximity etector): magnetické, optické, kapacitní... senzory s binárním výstupem (ve tvaru logického signálu): ty mohou být inkrementální nebo absolutní o optické o magnetické senzory se spojitým výstupem o oporové o inukčnostní o kapacitní o optické o ultrazvukové... Nejvíce senzorů polohy se vyrábí v proveení s voustavovým výstupem logický signál, výstup s otevřeným kolektorem nebo spínací kontakt. Polohové spínače mohou pracovat přímo na voustavovém principu (mechanický mikrospínač, jazýčkový kontakt, Wieganův senzor), nebo obsahovat senzor polohy se spojitým výstupem (Hallův senzor, magnetorezistor, optickou závoru, kapacitní senzor,...) a na jeho výstupu komparátor. Polohové spínače se používají i jako senzory úhlové polohy a rychlosti (např pro řízení spalovacích motorů). Pro tyto aplikace jsou nejrozšířenější magnetické senzory, které vynikají robustností a spolehlivostí. V přípaě, že na měřený objekt není možno umístit permanentní magnet a tento objekt ani není feromagnetický (např. lopatky vysokootáčkových turbín vyrobené z hliníkových slitin), je nutno použít senzorů na principu vířivých prouů. Poku je měřený objekt nevoivý (např. papír), používá se kapacitních nebo ultrazvukových senzorů. Jako čila polohy se často používají i optické senzory (kap..4).. MAGNETIKÉ SENZORY A SPÍNAČE V této kapitole popíšeme nejrozšířenější typy magnetických polohových spínačů. Zrojem magnetického pole pro magnetické spínače je zpravila permanentní magnet (nejčastěji magneticky tvrý ferit či magnety NFeB). Permanentní magnet může být připevněn na měřený objekt, ale většinou je součástí magnetického senzoru. Změna magnetického pole je pak vyvolána změnami magnetického toku např. vlivem průchou zubu na měřeném feromagnetickém objektu... Jazýčkové kontakty (ree contacts) Dva kontakty zhotovené z plíšků z magneticky měkkého materiálu jsou spínány polem permanentního magnetu. Honoty magnetického pole pro sepnutí a rozepnutí kontaktů se liší a vzniklá hystereze přispívá k oolnosti proti náhonému sepnutí. Oba jazýčky jsou pokryty vrstvou vzácných kovů (Ag, Au, Pt) a zataveny o skleněné trubičky naplněné inertním plynem po nízkým tlakem. Bez působení magnetického pole jsou kontakty zpravila rozpojeny vyrábějí se ale i jazýčkové kontakty s opačnou funkcí (v nulovém poli sepnuté). Doba sepnutí je okolo ms.
.. Hallův senzor a spínač Hallův spínač je nejrozšířenějším typem senzorů polohy. Jená se o elektronický spínač ovláaný Hallovým napětím U H = K H.B.I generovaným na elektroách při působení magnetického pole B na polovoičovou estičkou napájenou kolmo na elektroy prouem I. Zesilovač U H a obvoy spínače tvoří spolu s Hallovým prvkem o ploše asi,5 mm jeen integrovaný obvo. Nejvíce se využívá levné technologie MOS. Hallovy spínače mají často jen 3 vývoy (napájení, zem a výstup), přestože samotný Hallův senzor musí mít 4 vývoy. Hallovy spínače se vyrábějí s různými spínacími charakteristikami (polarita, spínací a rozpínací pole, velikost hystereze) i s různě vymezenou frekvenční oblastí (tzv. ynamický typ je stříavě vázán). Používají se i spínače v iferenčním proveení, které obsahují vě i více Hallových son. Typické honoty spínacích polí jsou mt až 0 mt. Obr.. ukazuje strukturu inteligentního Hallova senzoru s analogovým výstupem. Obvo obsahuje spínaný prouový zroj pro napájení Hallovy estičky, teplotní korekce, A/D převoník a DSP procesor. V záklaním režimu pracuje s kalibračními konstantami v EEPROM paměti a analogový výstup vytváří D/A převoníkem. Do číslicového režimu se přepne zvýšením napájecího napětí. Pak lze s obvoem v servisním móu obousměrně komunikovat a ata v EEPROM paměti měnit. Obvo se vyrábí i v proveení s voustavovým výstupem (jako programovatelný polohový spínač). V DD napájecí obvoy teplotní komp. oscilátor ochranné obvoy spínaná Hallova sona A/D DSP D/A 00 OUT GND etekce úrovně napájení EPROM zámek číslicový výstup Obr.. Struktura inteligentního Hallova senzoru..3 Magnetorezistory Polovoičové magnetorezistory mají menší citlivost a kvaratickou charakteristiku, používají se tey v oblasti vyšších pracovních polí (cca 0,5 T). Nicméně se tyto prvky v menší míře stále používají jako senzory polohy zejména pro velké teplotní rozsahy. Vyrábí je např. firma Murata. Feromagnetické magnetorezistory AMR (anizotropní magnetorezistory) a GMR (prvky založené na jevu gigantické magnetorezistence) jsou senzory půvoně vyvinuté pro čtecí hlavy magnetických isků. Zejména AMR magnetorezistory začínají v některých aplikacích nahrazovat Hallovy senzory: mají zhruba esetkrát vyšší citlivost, použitý magnet tey může být menší nebo vzálenost mezi senzorem a např. ozubeným kolem může být větší, což je pro hromanou výrobu velmi ůležité. AMR magnetorezistory mají lineární charakteristiku, používají se proto např. k měření vzálenosti a úhlové polohy a pro měření magnetického pole. Na rozíl o Hallových senzorů jsou AMR magnetorezistory citlivé na pole v rovině čipu. AMR senzory jsou použitelné i pro konstrukci kompasu. Jejich ne-
výhoou je možnost změny charakteristiky po působení silného pole. Proti tomu se používá perioické přemagnetování integrovanou cívkou. Výrobcem AMR senzorů jsou např. firmy Philips (řaa KMZ) a Honeywell (řaa HMR)...4 Inukční senzory Inukční senzory jsou jením z mála aktivních senzorů. Senzor obsahuje inukční cívku s feromagnetickým járem. Při změně magnetického pole se na výstupu senzoru objeví napěťový impuls, jehož šířka a tvar závisí na rychlosti změn magnetického toku. I u těchto senzorů může být permanentní magnet součástí senzoru nebo měřeného objektu. Klasické inukční senzory selhávají při malých rychlostech, používají se proto jen výjimečně...5 Wieganův senzor Je to zvláštní typ inukčního senzoru, který používá velkého Barkhausenova skoku v jenooménovém feromagnetickém jáře. Díky tomu je tvar výstupního impulsu inukovaného o cívky při přemagnetování nezávislý na rychlosti měřeného objektu.. INDUKČNOSTNÍ SENZORY POLOHY Inukčnostní senzory jsou pasivní senzory, v nichž je měřená veličina převáěna na změnu inukčnosti (jena cívka, tzv. tlumivkové senzory) nebo vzájemné inukčnosti (nejméně vě cívky - tzv. transformátorové senzory). Magnetický obvo senzorů může být otevřený nebo uzavřený, uspořáání jenouché nebo iferenciální. Impeance senzoru s cívkou o N závitech je určena obecně vztahem Z( j) R N j Z m R j R m N jx m R N X Z m m ( j) j N R Z m m ( j) (.) ke R m, X m jsou činná a jalová složka komplexní magnetické reluktance Z m (jω) a R je ohmický opor vinutí Druhý člen upraveného výrazu přestavuje ztráty vířivými prouy a hysterezí (X m ) a je postatou tříy senzorů s vířivými prouy Třetí člen přestavuje inukčnost a je postatou senzorů s proměnnou reluktancí... Inukčnostní senzory na principu vířivých prouů Postata těchto senzorů je znázorněna na obr... Vířivé prouy jsou způsobeny stříavým magnetickým polem cívky H a vyvolají v materiálu s rezistivitou ρ a permeabilitou μ sekunární magnetické pole o intenzitě H v působící proti poli, které je vyvolalo (Lenzův zákon). Zmenšuje se tak intenzita půvoního pole, což má za násleek zmenšení inukčnosti buicí cívky a zvýšení jejích ztrát, jelikož je nutné hrait energii spotřebovanou vířivými prouy na ohřev voivého objektu. Intenzitu povrchového jevu popisuje hloubka vniku Fyzikálně δ opovíá vzálenosti po povrchem voivého tělesa, ve které se magnetické pole utlumí na /e = 37 % intenzity na povrchu. Používá-li se senzor pro měření vzálenosti, musí se zvolit pracovní frekvence ω tak, aby úaj senzoru nebyl závislý na tloušťce měřeného objektu, tey aby» δ. 3
Použití senzorů s vířivými prouy: měření vzálenosti etekce voivých objektů (minohleačky, inukční smyčky pro etekci voziel), měření tloušťky voivých vrstev efektoskopie: hleání trhlin ve voivých materiálech, sleování ρ a μ ívka senzoru je většinou navinuta na feritovém hrníčkovém jáře, což zvyšuje citlivost a fokusuje vyzařované pole. Převážná většina vyráběných senzorů má voustavový výstup (polohové spínače). Vyhonocovací obvoy těchto jenouchých senzorů bývají založeny na L oscilátoru nebo cize buzeném L rezonančním obvou. Magnetické pole ívka Hrníčkové magnetické járo a) Oscilátor Demoulátor Komparátor Zesilovač Stínění Obr.. Inukčnostní senzory s vířivými prouy: a) princip, b) typická konstrukce.. Inukčnostní senzory s proměnnou vzuchovou mezerou Je to nejvýznamnější typ senzoru s proměnnou reluktancí. V záklaním uspořáání na obr..3 se měřeným posuvem x mění vzuchová mezera v rozmezí ±Δ. Je-li «a, pak je možné zanebat rozptylový tok mimo vzuchovou mezeru a pro kmitočty asi o 0 khz také vliv ztrát ve feromagnetiku. Pak je magnetická reluktance reálná a platí vztah li lfe Rm (.) i isi 0 r S Fe 0S 0S Permeabilita feromagnetika μ Fe je totiž postatně větší než permeabilita vakua μ 0 = 4π.0-7 Hm. Pro inukčnost L senzoru přibližně platí N N L S (.3) R 0 m Závislost L na je tey hyperbolická, a proto se senzory se změnou élky vzuchové mezery používají pro měření malých posuvů x. b) 4
Diferenciálním uspořááním senzoru, v němž při změně x v jenom směru mají honoty ΔL/L opačná znaménka, se při použití můstkového měřicího obvou le obr..4 osahuje vojnásobné citlivosti a zmenšení nelinearity. To je v soulau s obecnými vlastnostmi iferenciálních uspořáání, jelikož napětí nerovnováhy můstku U v (jω) je pro malé ochylky o rovnováhy úměrné rozílu relativních změn impeancí ramen můstku. Obr..3 Inukčnostní senzor mezerový Obr..4 Diferenční inukčnostní senzor s měřicím obvoem a převoní charakteristikou..3 LVDT Inukčnostní senzory s otevřeným magnetickým obvoem jsou často používané pro měření polohy. Jejich záklaem je válcová cívka (častěji několik cívek), uvnitř které se pohybuje feromagnetické járo. Vyrábějí se jako tlumivkové nebo transformátorové, nejčastěji v iferenciálním uspořáání, ky vě sekunární cívky jsou zapojeny proti sobě. V rovnovážné poloze posuvné feromagnetické járo zasahuje o poloviny élky obou cívek, výslené výstupní napětí je tey nulové. Při posuvu jára se napětí na jené cívce zvýší a na ruhé sníží. Pro rozpoznání směru výchylky je zpravila nutné k měření napětí nerovnováhy můstku použít fázově citlivý usměrňovač (synchronní etektor). Jeho referenční napětí je ovozeno z napájecího napětí. ±l M +l -l L S L U (j) U V0 (j) P U z (j) U (j) S I (j) M L a) b) Obr..5 Lineární iferenční transformátorový senzor polohy Nejrozšířenějším senzorem tohoto typu je LVDT (Linear Variable Differential Transformer) pole obr..5 a), b). Z průběhu skutečné závislosti U v0 (jω) na posuvu o kliové polohy jára (obr..6) je zřejmé, že i pro Δl = 0 je U v0 (jω) nenulové, a to i při pečlivé symetrii sekunárních vinutí. Důvoem jsou 5
vyšší harmonické primárního prouu a také parazitní kapacitní vazba mezi primárním a sekunárním vinutím. K potlačení tohoto napětí přispěje použití synchronní etekce (výstupní napětí SD není závislé na složce fázově posunuté o 90 0, kterou v tomto přípaě přestavuje průnik primárního napětí na výstup kapacitní cestou). Obr..6 Závislost vzájemných inukčností a výstupního napětí na poloze jára V obvoech pro zpracování signálu z LVDT se často užívá poměrového měřicího obvou. Ze se vychází z přepoklau, že při posuvu jára se nemění součtové napětí U A +U B, což je u většiny konstrukcí splněno. Poměrový obvo potlačí vliv kolísání amplituy generátoru a fázových posuvů. Klasický obvo pro pětivoičově připojený LVDT senzor (např. AD 598) používá vou přesných neřízených usměrňovačů. Novější obvo AD 698 (obr..7) používá vou synchronních etektorů: jeen pro měření výstupního rozílového napětí, ruhý pro měření napájecího napětí. Poměr těchto napětí opět není závislý na amplituě generátoru. AD698 BUZENÍ REFERENE OSILÁTOR V B SD + A B FILTR V OUT V A SD - LVDT Obr..7 Obvo pro LVDT se synchronními etektory (4-voičové připojení) (Analog Device)..4 Inuktosyn Inuktosyn je ruh transformátorového inukčnostního senzoru, v němž jsou použity cívky realizované technikou plošných spojů. Inuktosyn se skláá z měřítka, tj. pevné louhé ploché cívky ve tvaru meanru s krokem p na izolantu (sklo, keramika, nemagnetický kov s izolační vrstvou) a jezce se věma cívkami (meanry). Tvar cívek jezce a měřítka je stejný a při jejich vzájemném posuvu se mění vzájemná inukčnost M mezi kažou z cívek jezce a měřítka. Nej- 6
větší honoty osahuje inukované napětí při úplném překrytí obrazců vinutí jezce a měřítka, nulová honota inukovaného napětí a tey i M je při vzájemném posuvu o čtvrt kroku - p/4. Uspořáání s napájením o jezce Jelikož sousení rovnoběžné elší úseky cívky jezce jsou protékány opačnými prouy (obr..8), v mezilehlém úseku měřítka se inukují napětí opačné fáze, takže výslené napětí je nulové. Obobně při posunu o alší čtvrtinu kroku se vinutí překrývají a inukuje se opět napětí o maximální amplituě, ale opačné fázi. Závislost amplituy inukovaného napětí na poloze x v rámci jenoho kroku lze aproximovat kosinovou funkcí, tj. ˆ ˆ x U cos( ) ˆ KU KU cos (.4) p Napětí inukované o měřítka o jené cívky jezce buzené sinusovým napětím o kmitočtu ω pak bue u( t) KU cos cost s amplituou nesoucí informaci o posuvu x/p v rámci jenoho kroku. Závislost u (t) na amplituě buicího napětí U a na vzálenosti mezi pravítkem a jezcem se potlačuje uspořááním se věma jezci, napájenými harmonickými napětími posunutými o π/. Současně jsou obě vinutí vzájemně posunuta geometricky o n.p + p/4. elkové inukované napětí v měřítku je pak rovno u (t) u(t) u(t) KU(cos cost sin sint) KU cos( t ) (.5) Měronosnou veličinou je nyní fázový úhel, tj. veličina nezávislá na kmitočtu a amplituě, která se á snano měřit čítačem. Obr..8 Princip inuktosynu napájeného o jezce Pro měření posuvů x > p se v čítači registruje počet překročení úhlu π (hrubá stupnice) a poloha uvnitř kroku (jemná stupnice). Fáze se také něky měří analogově s využitím fázově citlivého etektoru (Phase Sensitive Detector, PSD) obvykle realizovaného synchronním etektorem. Napájení o měřítka potřebuje jen jeen generátor. Při posuvu jezce o φ vůči měřítku se ve vinutích sekunáru inukují napětí u(t) KU sin sint u(t) KU cos sint (.6) 7
..5 Selsyny a resolvery Tyto transformátorové senzory jsou užívány pro měření úhlové polohy. Obobně jako elektrické asynchronní stroje jsou složeny ze statorových a rotorových vinutí (obr..0). Resolver má voufázové vinutí statoru a jenofázový rotor. Magnetické pole rotoru inukuje ve statorových vinutích napětí s amplituami závislými na úhlu natočení rotoru α. Pro jejich vyhonocení se používá stejných obvoů jako u inuktosynu (resolver-to-igital converter). Selsyn má trojfázové vinutí statoru. Dvojice selsynů napájených o spojených rotorů a s propojenými statorovými vinutími funguje jako "elektrický hříel" pro přenos úhlové polohy nebo její álkové ovláání (používá se např. pro natáčení antén). Resolvery a selsyny mají velké výstupní napětí a jsou velmi robustní. Obr..0 a) Resolver, b) selsyn s napájením o rotoru..6 Magnetostrikční senzory polohy Jejich postatou je magnetostrikční zpožďovací linka ve formě trubky z magnetostrikčního materiálu (obr..). V ose trubky je voič napájený impulsy prouu. S pohybem objektu je spojen prstencový magnet navlečený na trubku. Axiální pole prstence a kruhové magnetické pole voiče vytvoří impuls krouticího momentu, který se šíří ke koncům trubky a ze se utlumí. Mechanickou eformací vyvolaná změna magnetické reluktance trubky generuje na výstupu inukčního senzoru torze napěťový impuls u(t). Z rychlosti šíření mechanického rozruchu v materiálu trubky (kolem 3000 m/s) a oby mezi buicím i(t) a výstupním u(t) impulsem se určí poloha v číslicovém tvaru. Opakovatelnost < 0,00 %, nelinearita < 0,05 % a malá přestavná síla v kombinaci s možností měřit posuvy až o 5 m řaí tyto senzory mezi perspektivní typy. Existuje několik moifikací tohoto senzoru (např. místo trubky se používá přímo voivý magnetostrikční rát, užívá se jiný etektor torze, oražený puls se používá ke kompenzaci teplotní závislosti rychlosti šíření, která je jinak značná). 8
senzor torze S J posuv tlumení puls i(t) u(t) magnet trubka z magnetostrikčního materiálu Obr.. Magnetostrikční senzor polohy.3 KAPAITNÍ SENZORY Jsou vhoné pro měření veličin ovlivňujících kapacitu konenzátoru, tj. geometrii elektro (plochu S a vzálenost ) a permitivitu prostoru, v němž se uzavírá elektrické pole konenzátoru. U kontaktních kapacitních senzorů je měřený objekt spojen s pohyblivou elektroou, která je součástí senzoru. Bezkontaktní kapacitní senzory etekují přítomnost objektů z eformace elektrického pole..3. Kontaktní kapacitní senzory Pro kapacitu rovinného eskového konenzátoru s homogenním polem platí: S 0 r (.8) Záklaní typy kontaktních kapacitních snímačů jsou uveeny v přehleu na obr.. spolu se vztahy pro výpočet kapacity. 9
0 Obr.. Přehle principů kapacitních senzorů polohy Mezerové kapacitní senzory Mezerové senzory jsou vhoné pro měření malých posunutí. Změna kapacity způsobená změnou vzálenosti vzuchové mezery je ána vztahem S
pro relativní změny kapacity můžeme psát Taylorovu řau 3... (.9) Diferenční kapacitní mezerový snímač (obr..), spojený s rozílovým měřicím obvoem, je popsán vztahem, - - 3... Je patrné vojnásobné zvýšení citlivosti a zvýšení linearity (vykrácení suých členů polynomického rozvoje) iferenčním uspořááním senzoru. Ještě výhonější je využití vztahu, jak bylo ovozeno v kapitole. 0 Z přehleu na obr.. si všimněme uspořáání ve třetím řáku zola, které slouží k potlačení vlivu změny élky vzuchové mezery u senzorů s proměnnou plochou překrytí elektro. Příčná citlivost je zmenšena, protože posuv ve směru způsobí např. zmenšení kapacity mezi levou a stření elektroou a současné zvětšení kapacity vůči pravé elektroě. Kapacitní senzor s proměnnou plochou překrytí Při pohybu elektroy 3 na obr..3 je změna kapacit vůči elektroám a přibližně lineární (neuvažujeme okrajové rozptylové pole). Měřicí obvo by měl zajistit, aby změna vzálenosti mezi pohyblivou elektroou 3 a elektroami měřítka, a přípaná změna permitivity neměla vliv na výsleek měření. Jestliže tey platí hx h( l x) 3, 3 hl h, 3 3, 3 3 x l, pak lze s výhoou opět použít poměrovou metou: 3 3 x l x 3 3 l l Ukážeme, že obvo na obr..3c) realizuje uveený vztah. Nejprve pro jenouchost přepokláejme, že napětí u (t) a u (t) jsou harmonická s opačnou fází a zesilovač má nekonečné zesílení. Pak je elektroa 3 na virtuální zemi (výhoné, neboť kapacity přívoů nemají vliv) a prou o vstupu zesilovače je nulový, je-li splněno u ( j) j3 u( j) j3 0 u( j) 3 u( j) 3 Tohoto stavu rovnováhy může být osaženo např. zpětnovazební regulací amplituy u nebo u na záklaě chybového signálu - prouu o vstupu zesilovače (je-li použit zesilovač s prouovým vstupem) nebo napětí na vstupu (pro operační zesilovač s napěťovým vstupem).
Obr..3 Diferenční kapacitní senzor s proměnnou plochou: a) princip, b) převoní charakteristika, c) měřicí obvo, ) průběhy napětí, e) senzor pro velké posuvy (, - statorové elektroy), f) výstupní napětí při posuvu elektroy 3 Ve skutečném zapojení jsou obélníková napětí u (t) a u (t) získána přepínáním spínačů MOS P a P tak, že v jené půlperioě jsou obě elektroy připojeny na výstupní napětí u v regulátoru Reg a v ruhé půlperioě je spojena se zrojem referenčního napětí U a obobně s U. Pomínka pro rovnováhu musí být nyní splněna pro všechny harmonické složky obélníkového průběhu. Jelikož však amplitua kažé harmonické je úměrná amplituě obélníkového průběhu, musí platit Jestliže U =U, U = U, pak platí ( u V U ) ( u U 3 V ( u ) 3 ( uv U) V U ) 3 u V 3 U 3 3 3 3 Vztah pro u V opovíá poměrovému měření : citlivost na příčný posuv je potlačena, jelikož změny kapacity takto vzniklé veou ke změně čitatele i jmenovatele zlomku. Na obr..3e,f je ukázána možnost realizace posuvných měřítek až o élky m. Elektroy a jsou složeny z většího počtu ílčích elektro, které se postupně le polohy jezce (elektroa 3) automaticky přepínají vžy po čtveřicích a tím vytvářejí ílčí lineární oblasti le obr..3 b. Měřítka mají rozlišovací schopnost m a chybu 5 m na 500 mm..3. Kapacitní bezkontanktní senzory a spínače Tyto senzory etekují přiblížení voivých i nevoivých přemětů. Označují se jako senzory přiblížení (proximity senzor) nebo polohové spínače (proximity switch). Obvykle obsahují kruhovou elektrou uvnitř válcového stínicího pouzra (obr..4). Přiblížením clonky (měřeného objektu) se mění kapacita vnitřní elektroy vůči krytu. Mohou nastat tyto přípay: a) nevoivá clonka: kapacita se mění jen změnou permitivity. Spínací vzálenost je malá; b) voivá neuzemněná clonka: paralelně k záklaní kapacitě přibue seriová kombinace vou kapacit (stření elektroa-clonka, clonka-stínění). Změna kapacity je větší; c) voivá uzemněná clonka: paralelně k záklaní kapacitě přibue alší kapacita. Změna kapacity je největší.
a) nevoivá b) clonka elektroa r s r voivá clonka s elektroa s s clonka v f r, s stínění v f s stínění c) voivá clonka uzeměná elektroa stínění v f s Obr..4 Kapacitní bezkontaktní senzor přiblížení převzato z [3] (Obvo pro měření kapacity není zakreslen) Kompenzace znečištění nebo orosení čelní plochy se osahuje použitím aktivního stínění (obr..5). Příavná stínicí (kompenzační) elektroa je umístěna mezi stření elektrou a pouzro. Napěťovým sleovačem je ržena na potenciálu stření elektroy. Stření elektroa je tak obklopena kroužkem o stejném potenciálu, nemohou tey z ní téct po povrchových nečistotách žáné kapacitní prouy. Kapacitní prouy samozřejmě tečou mezi aktivním stíněním a pouzrem, to je ale mimo měřicí obvo. pouzro zašpinění, orosení snímací elektroa kompenzační elektroa výstup napěťový sleovač Obr..5 Aktivní stínění - převzato z [3] U jenouchých polohových spínačů je měřicí kapacita součástí R oscilátoru, který se při přiblížení clonky rozkmitá (tey naopak než u běžných inukčnostních senzorů, u kterých oscilace vysaí). Typická změna kapacity při spínání na vzálenost 0 mm je 50 ff, tey % ze záklaní kapacity senzoru 5 pf..3.3 Měřicí obvoy pro kapacitní senzory stínění Záklaní pomínkou správné činnosti kapacitních senzorů je vyloučení vlivu parazitních kapacit přívoů o senzoru k měřicímu obvou. Jejich školivý účinek spočívá jenak ve zmenšení citlivosti (roste neproměnná část kapacity) a jenak ve vzniku chyby při změnách polohy kabelu nebo jeho teploty. Nejjenoušší je zkrátit přívoy na minimum umístěním měřicího obvou přímo v senzoru. To však často není možné, např. kyž senzor je umístěn v prostřeí s vysokou 3
teplotou nebo silnou úrovní rušení. Pak je nutné parazitní kapacity přívoů vyloučit speciálními měřicími obvoy, jejichž uspořáání závisí na tom, za je nebo není nutné uzemnit některé elektroy senzoru. Pro neuzemněné ("plovoucí") kapacitní senzory je většina zapojení ovozena o principu měření průchozí impeance: měřený objekt se napájí z ieálního zroje napětí (R i = 0) a prou objektem se měří ieálním ampérmetrem (R vst = 0). Potom jena parazitní kapacita je na malé impeanci zroje a ruhá na nulovém napětí. Zpětnovazební měřicí obvo na obr..6 je vhoný pro senzory s proměnnou vzuchovou mezerou (t), protože výstupní napětí je přímo úměrné : u t u t ( t) U m sint (.0) S S ke je kmitočet generátoru harmonického napětí U ˆ ( j) Obr..6 Měřicí obvo pro kapacitní senzory V tomto zapojení parazitní kapacity: p je na nulovém napětí (virtuální nula OZ) a p je připojen na malý výstupní opor OZ. Senzor s je napájen konstantním prouem u / Senzory s proměnným překrytím se zapojí místo. Musí-li být jena z elektro uzemněna, je třeba použít komplikovanějších zapojení (např. izolované napájení). Rozšířené je zapojení kapacitního senzoru jako časovacího prvku o obvoů multivibrátorů. Pro vyhonocení kapacity a náboje se používá též obvoů se spínanými kapacitory (S switche capacitor). Moerní elektronické obvoy pro kapacitní senzory mívají rozlišovací schopnost menší než ff (0 5 F)..4 OPTIKÉ SENZORY POLOHY K měření polohy, posuvu nebo rozměru lze obecně využít jakoukoliv polohou nebo posuvem ovlivněnou závislost mezi výstupní veličinou etektoru a parametry zroje optického záření. Poloha (posuv) objektu může vyvolat: - změnu polohy zroje světelného záření (světelné stopy), - zastínění světelného toku mezi zrojem a etektorem světelného záření, - změnu úhlu orazu paprsku zroje, - interferenci zrojového a oraženého paprsku. Konkrétní realizace těchto principů přestavují ále uveené záklaní typy optoelektronických senzorů polohy. 4
.4. Polohově citlivé senzory (PSD) (Position Sensitive photo - Detectors) PSD senzory jsou určeny pro aplikace, ky měřená veličina ovláá polohu světelné stopy. Postatou senzoru PSD je generace párů elektron - íra v intrinsické (I) vrstvě velkoplošné fotoioy PIN při opau světelné stopy na její čelní plochu (obr..7). Elektrické pole na přechou PI a NI vyvolá posuv ěr k vrstvě P a elektronů k vrstvě N. Vyjeme-li z přestavy, že opaem světla generované páry nábojů přestavují zroj prouu o intenzitě I 0 působící v místě opau světelné stopy, pak prouy nakrátko v levé (I A ) a pravé (I B ) elektroě jsou ány vztahy: I R R R L X X A I0 ; I B I0 (.) RL RL Záklaním přepoklaem platnosti těchto vztahů je rovnoměrné rozložení oporu vrstvy P; pak opory v náhraním schématu R x a R L R x jsou lineární funkcí polohy těžiště světelné stopy x, takže platí: I I B R R X x L 0 L 0 L Úaj o poloze by neměl záviset na intenzitě záření světelné stopy, tj. na prouu I 0. K vyloučení vlivu I 0 je vhoný známý princip poměrového měřicího obvou. Jeho aplikace na měření se senzorem PSD opovíá vyhonocení vztahu I I B I A I B L x x x A (.) I I I L L L A B 0 a I A I L x Obr..7 Polohově citlivé optoelektronické senzory (PSD): a) princip řákového senzoru, b) zjenoušený náhraní obvo Senzor PSD existuje i v vourozměrném (plošném) proveení..4. D (harge-couple evice) Záklaním elementem těchto senzorů je kapacitor realizovaný technologií MOS, v němž se hromaí náboje generované při opau fotonů. Přesun náboje na výstup se ěje sériově. D senzory se vyrábějí v řákovém a plošném proveení. Zpracování vieosignálu (tzv. vieometrie) je založena na číslicovém zpracování signálu fotocitlivých prvků (např. pixelů senzoru D). 5
.4.3 Inkrementální optoelektronické senzory posuvu Princip těchto senzorů spočívá v clonění světelného toku mezi zrojem a fotocitlivými prvky pravítkem (kotoučem) pravielně rozěleným na úseky pro světlo propustné a nepropustné (kroky). Posuv pravítka (rotoru) o krok () vyvolá přerušení světelného svazku a výstupní signál fotocitlivého etektoru po úpravě na impuls unifikovaného tvaru inkrementuje obsah čítače. Měřený posuv (poloha) je tey ána obsahem čítače vynulovaného při referenční poloze. V typickém uspořáání na obr..8 je na skleněném pravítku spojeném s měřeným posuvem fotochemickou cestou vytvořena řaa průsvitných a neprůsvitných proužků. Obrazec se stejnou geometrií je také na cloně pevně uchycené na měřítkem. Aby bylo možné určit směr pohybu a vynulovat obsah čítače při osažení referenční polohy (začátku pravítka), má senzor tři soustavy proužků, pevných clon a fotocitlivých elementů, tj. tři kanály, jak znázorněno na obr..8. Světelný zroj (ioy LED nebo speciální žárovka s optikou) je společný pro všechny tři kanály (A, B, ). V senzoru se využívá výho iferenciálního uspořáání, tj. vě antiparalelně zapojené fotoioy jsou navzájem posunuty o honotu n + /, takže při posuvu vzniká za zesilovačem stříavý signál blízký sinusovce. Směr posuvu je ovozen ze sleu signálů v kanálech A, B. Záklaem je posuv pevné clony v kanálu B o honotu n+/4. Pak signály U A,U B připojené na vstupy RS klopného obvou nastavují jeho výstup Q o logické úrovně závislé na sleu náběžných hran obou signálů. Výstup Q říí směr čítaní čítače. Rozlišovací schopnost na výstupu D se zvyšuje až 4-krát počítáním hran průběhů U A,U B. Kanál slouží k ovození signálu o pozici referenční značky. posuvné měřítko U optika u rysky pevné clony D D t A U A B /4 referenční značka D D U B U A U B U D a) t Obr..8 Inkrementální senzor polohy:a) uspořáání, b) signály z kanálů A, B a po čtyřnásobné interpolaci, c) vyhonocení směru pohybu A L O G B L O K I B Q K t Ý princip čtyřnásobné D b) t interpolace c) Q D D Č Í T A Č U Zmenšování kroku je omezeno ohybem světla na přibližně 7 m, proto alší zvýšení rozlišení až o va řáy je možné zpracováním harmonických signálů U A,U B interpolátory. Nejokonalejší systémy osahují rozlišení 0,05 m pro posuv a 0,00005 pro úhlové posuvy. Jenouchá inkrementální rotační čila se používají pro ovláací prvky moerních laboratorních přístrojů. Jením z neostatků inkrementálních senzorů polohy je skutečnost, že změna obsahu čítače přípanými rušivými impulsy je korigovatelná až po osažení referenční značky. Proto se v kritických situacích užívají výrobně náročnější senzory s prostorovým kóem. 6
.4.4 Absolutní optoelektronické senzory polohy s prostorovým kóem Postatou je pravítko resp. kotouč s řaou stop, v nichž se stříají průsvitná a neprůsvitná (příp. voivá a nevoivá, magnetická a nemagnetická) místa (proužky) tak, že vytvářejí obrazec opovíající složkám vhoného kóu. Kóovací obrazec se z jené strany prosvětluje a na ruhé straně snímá fotocitlivými prvky. Kritickým místem konstrukce je oržení přesné geometrie snímacích prvků, které musí u senzorů úhlové polohy sleovat poloměr. Při zastavení kotouče v mezní poloze může ojít k hazarním stavům (některé fotoetektory čtou sousení honoty). Pro koové kotoučky se proto používají kóy s jenotkovou vzáleností, nejčastěji se užívá obrazců le Grayova kóu (obr..9). Tento kó se při přechou o sousení polohy mění pouze v jenom bitu, a proto je chyba způsobená hazarem max. LSB. Vliv rušivých impulsů je strukturou kóu minimalizován, při zjištění změn u více bitů lze použít přechozí čtení a chyba není akumulována až o průchou referenční značkou, jako je tomu u inkrementálních typů. Je tey o absolutní měření pracující jako převoník poloha - číslo. Kóové kotouče mohou mít až 7 stop, tj. 7 = 3 07 rozlišitelných poloh. Dalším kóovacím kotoučem připojeným přes převo o pomala lze rozšířit rozsah měření. Mohou však vzniknout příavné chyby mrtvým choem a hysterezí (vůlí) převoního mechanismu. Kóové senzory polohy pracují i na magnetickém principu vyrábí se v proveení o stop..4.5 Senzor rozměrů clonicího typu V uspořáání le obr..0 je válcovitý objekt umístěn v prostoru rovnoběžných světelných svazků. Laserový paprsek je rozmítán rotujícím hranolem a kolimační optika vytváří pole Obr..9 Senzor úhlové polohy s prostorovým kóem Obr..0 lonicí senzor paralelních optických paprsků. Při rozmítání vzniká na fotocitlivém elementu pokles signálu opovíající clonícímu účinku měřeného objektu. Šíře impulsu nese informaci o rozměru objektu a určuje se s velkou přesností metoami pro číslicové měření časových intervalů. Poku je oržena rovnoběžnost paprsků, úaj snímače nezávisí na poloze měřeného objektu..4.6 Optoelektronické senzory polohy s triangulací Je o senzory pracující s oraženým paprskem a využívající meto známých ze zeměměřictví. Tato metoa přepokláá povrch s ifúzním orazem (o všech směrů). V typickém uspořáání na obr.. svazek z infračervené laserové ioy (850 nm) moulovaný kmitočtem 6 khz opaá na povrch měřeného objektu. Pohyb objektu vyvolá opovíající posuv obrazu stopy na senzoru typu PSD nebo řákovém senzoru D. Moulovaný signál se snano zesiluje stříavým zesilovačem a ále vyhonocuje synchronní etekcí. Proto je možné senzor použít i pro objekty s malou orazivostí. Další přeností moulovaného paprsku je potla- 7
čení vlivu okolního osvětlení a riftu etektoru. Měřené vzálenosti se pohybují v rozmezí jenotek až esítek cm, rozlišovací schopnost opovíá 6 bitům. Obr.. Princip senzoru na triangulačním principu Dynamické vlastnosti jsou ány šíří pásma stříavého zesilovače nebo olnofrekvenční propusti (DP) za synchronním etektorem. Z hleiska vztahu mezi nosnou a moulační frekvencí je při ostatečné úrovni intenzity oraženého paprsku možné měřit kmity objektu řáově několik khz, avšak s klesající úrovní intenzity oraženého paprsku je nutné pro zachování potřebného ostupu signál/šum zmenšit šíři pásma DP. Pak maximální kmitočet ve spektru měřeného pohybu musí ležet v pásmu propustnosti DP. Triangulační principy nacházejí významné uplatnění íky ostupnosti zrojů koherentních optických svazků (laserové ioy) a řákových i plošných optoelektronických senzorů (PSD, D, matice fotoelementů, kvarantové prvky)..4.7 Optoelektronické senzory polohy na interferometrickém principu Záklaní princip senzorů využívajících jevu skláání (interference) světelných vln je v uspořáání známém jako Michelsonův interferometr (z roku 88) na obr... Obr.. Michelsonův interferometr Svazek rovnoběžných paprsků opaá po úhlem 45 o na polopropustnou plochu. Ze se část světla oráží k pevnému (referenčnímu) zrcalu a část postupuje k pohyblivému (měřicí, spojené s měřeným objektem). Paprsky oražené o obou zrcael se vektorově sčítají na polopropustné ploše. Intenzita osvětlení v tomto místě je měřena optoelektronickým senzorem. Počítáním maxim a minim intenzity osvětlení se určí poloha s rozlišením / (hrubá stupnice). Interpolací závislosti intenzity na x se získají úaje o poloze uvnitř intervalu / (jemná stupnice). 8
Michelsonův interferometr lze použít také pro měření tloušťky vrstev, optických vlastností plynů a vlnové élky světelného záření. V optoelektronických senzorech se užívají i alší typy a moifikace interferometrů. Pro největší vzálenosti Time of flight : Přímá metoa - světlo uletí 30 cm za ns = rozlišení cm na km Metoa frekvenční moulace osažitelná přesnost: mm Používá se i pro ultrazvuk a raar.5 ODPOROVÉ SENZORY POLOHY Jsou založeny na použití oporových potenciometrů s pohyblivým kontaktem (jezcem), mechanicky ovláaným měřenou veličinou. Oporové ráhy precizních potenciometrů jsou něky vinuté z oporového rátu, častěji se však používá voivých plastů. Nejčastěji se používá potenciometrů s rotačním pohybem jezce (měření úhlového posunutí), ále přímočarého posuvu jezce (měření polohy nebo lineárního posunutí) a pro měření úhlové polohy s velkou rozlišovací schopností také potenciometrů se spirálovým pohybem jezce (helipot - spirála typicky s 0 závity). Lankem ovláané senzory s rotujícím jezcem měří posunutí až o 40 m. Na optimálně tvarovaném bubnu, mechanicky vázaném na pohyb jezce potenciometru, je pružinou ve svinutém stavu rženo lanko, ovíjené pohybem objektu rychlostí až m/s. Pružinový systém uržuje stálé napětí lanka, potlačuje hysterezi a vliv otřesů, takže opakovatelnost je až 0,05 % z rozsahu. Oporový senzor polohy (oporový vysílač) se chová jako napěťový ělič s ělicím poměrem určeným měřenou polohou. Toto potenciometrické uspořáání, na rozíl o reostatového, vyloučí chyby způsobené změnami rezistivity oporové ráhy (např. při změnách teploty). Přenos je lineární funkcí polohy jezce pouze pro nezatížený potenciometr. Měřicí obvoy s velkým vstupním oporem a prouovým napájením (vyloučení vlivu oporu přívoů R v ) jsou na obr..3. Obr..3 Měřicí obvoy pro oporový senzor polohy: a) napěťový sleovač, b) můstek U vinutých potenciometrů je rozlišovací schopnost určena skokovou změnou oporu při pohybu jezce mezi souseními závity a jejich převoní charakteristika je stupňovitá. Vrstvové potenciometry mají rozlišovací schopnost omezenou opakovatelností: při opakovaném měření se stejnou polohou jezce se výsleky liší. Ochylky mají náhoný charakter a osahují typicky 0, %. Linearita závisí na rovnoměrnosti oporového vinutí nebo vrstvy a může být lepší než 0,00 % u nejlepších otáčivých typů. Potenciometry s posuvným jezcem mají zpravila větší chyby nelinearity - 0,05 až 0, %. 9
Šum potenciometrů vzniká při pohybu jezce po vinutí a je způsoben různými elektrickými a mechanickými efekty. U vinutých potenciometrů může být rušení způsobeno oskakováním jezce při pohybu a je zvláště výrazné při rezonanci kontaktní části jezce. V mnoha aplikacích jsou oporové senzory polohy nahrazovány tzv. bezkontaktními potenciometry, založenými většinou na otáčivém permanentním magnetu, jehož úhlová poloha je snímána vojicí magnetických senzorů. Bezkontaktní potenciometry mívají ovšem nižší přesnost (kolem %). Ultrazvukový álkoměr měří vzálenost o 0 m s rozlišením cm princip: time of flight piezoelektrický vysílač i přijímač (oělené) rychlost zvuku 346 m/s vyžauje kvalitní oraz 0 až 5 pulsů/s, programovatelné (80 ms..,5 s). 0