7. MĚŘENÍ LINEÁRNÍHO POSUVU Úvod: Pro měření posuvu (změny polohy v daném směru) se používá řada senzorů pracujících na různých principech. Výběr vhodného typu závisí na jejich vlastnostech. 1. Potenciometrické snímače polohy pracují na principu změny poměru odporů potenciometru v závislosti na poloze jezdce (viz obr). Používají se v řadě aplikací, nejrozšířenější je měření hladiny paliva v nádrži automobilu U L RP R x U V RV Princip Reálný snímač: 2. Optické inkrementální snímače polohy pracují na principu čítání impulsů při změně polohy (počet impulsů je jí přímo úměrný). Vyrábí se jak v rotačním, tak v lineárním provedení. Výhodou oproti potenciometrickému snímači je bezkontaktní řešení, nevýhodou nutnost nulování po přerušení napájení. Typická aplikace je určení polohy vozíku u inkoustových tiskáren 3. Snímače LVDT (linear variable differential transformer) pracují na principu změny vzájemné indukčnosti primárního a sekundárních vinutí. PRIMÁRNÍ VINUTÍ SEKUNDÁRNÍ VINUTÍ FEROMAG. JÁDRO x BUZENÍ VÝSTUP Princip: Reálný snímač: Používají se pro měření relativně malých posuvů (jednotek centimetrů). Výhodou oproti potenciometrickému snímači je opět bezkontaktní řešení, nevýhodou malý délkový rozsah. Oproti inkrementálnímu snímači jej však není nutné před měřením vynulovat. 1
Otázky k úloze (domácí příprava): Vysvětlete podrobně principy výše uvedených snímačů. Čemu se rovná výstupní odpor potenciometrického snímače polohy (odporového děliče napětí)? Jak je určen u inkrementálního senzoru směr pohybu? Proč nelze výstupní napětí UO u LVDT senzoru měřit střídavým voltmetrem a jaký přístroj lze použít? Co to je raciometrická metoda a jaké jsou její výhody? Úkol měření: 1. Změřte převodní charakteristiku (závislost výstupního napění na poloze) odporového senzoru polohy Novotechnik TR100 (viz obr. 1) v potenciometrickém zapojení v rozsahu 0 až 100 mm s krokem 5 mm. Jako referenční snímač použijte optický inkrementální snímač SL101LB připojený k indikátoru ADP1. Obr. 1. Přípravek pro měření s odporovým a optoelektronickým snímačem posuvu 1.1 Napětí U2 měřte voltmetrem na svorce jezdce. Schéma zapojení viz obr. 2. Měření proveďte pro následující zatěžovací odpory RZ (nastavujte na odporové dekádě): a) RZ = 99 kω; b) RZ = 9 kω; c) RZ =. 1.2. Naměřené hodnoty vyneste do grafu, proložte je přímkou a určete její parametry (směrnici, posunutí). Do stejného grafu vyneste na vedlejší svislou osu odchylky od linearity pro měřený rozsah v % rozsahu. Obr. 2. Měřicí uspořádání odporového senzoru polohy 2
Poznámka: K vývodu jezdce je v přípravku připojen rezistor 560 Ω pro omezení proudu při případném zkratu. 2. Proměřte statickou charakteristiku snímače LVDT (přípravek viz obr. 3) jako funkci f(d) = UO, kde d je údaj z posuvného měřítka spojeného s jezdcem senzoru a UO je výstupní napětí zpracované obvodem AD598. Při proměření charakteristiky se zaměřte na obě krajní polohy snímače. 2.1 Najděte středovou polohu (UO = 0) a detailněji proměřte výstup senzoru v okolí ±5 mm s krokem 1 mm. 2.2 Změřené hodnoty vyneste do grafu, proložte je přímkou a určete její parametry (směrnici, posunutí). Určete odchylku od linearity pro celý měřený rozsah. 2.3 Určete takový měřicí rozsah, ve kterém odchylka od linearity nepřesáhne hodnotu: a) 5 %, b) 1 %. 2.4 Statickou charakteristiku proměřte pouze v několika bodech (7 až 9) též pomocí osciloskopu tak, že prostřednictvím matematických funkcí zrealizujete rozdíl signálů ze sekundárních vinutí (A - B). Poté změřte efektivní hodnotu (RMS) vypočteného signálu. Správné znaménko signálu určíte sledováním fáze. Obr. 3. Přípravek pro měření s LVDT snímačem Poznámky k měření: Postup měření K bodu 1: Otáčením kolečka lineárního posuvu najeďte na levou krajní polohu odporového snímače. Spusťte zobrazovací jednotku optolektronického snímače. Nulovou počáteční hodnotu nastavte stiskem tlačítka REF a poté NUL. Před zapnutím napájecího zdroje ve kroku 3 si nechejte zapojení zkontrolovat od cvičícího! Ze zdroje stejnosměrného napětí přiveďte napětí 5 V na svorky odporového snímače. Na zdroji nastavte proudové omezení na 5 ma (ochrana proti velkému proudu jezdcem odporového snímače). 3
K bodu 2: Jezdcem posuvného měřítka najeďte do pravé krajní polohy. Na svorky POWER SUPPLY přípravku zapojte stejnosměrné napětí ±15 V a GND. Ke svorkám SIGNAL OTPUT připojte stejnosměrný voltmetr a ke svorkám SECONDARY OUTPUTS, kam jsou vyvedeny přímo výstupy sekundárních vinutí LVDT, připojte dva kanály osciloskopu. Pomocí posuvného měřítka posunujte feromagnetické jádro snímače LVDT v rozsahu 0 až 100 mm s krokem 5 mm. Použité senzory a jejich princip Snímání polohy odporovým snímačem je jeden z nejjednodušších principů. Základem je proměnný rezistor, buď lineární posuvný, nebo otočný, k jehož jezdci je připevněn předmět, jehož polohu je třeba měřit (viz obr. 4). Rezistor bývá vytvořen navinutím odporového drátu na vhodnou kostru nebo napařením odporové vrstvy na podložku. Obr. 4. Uspořádání odporového senzoru polohy V praktických aplikacích se však nepoužívá jednoduché měření odporu mezi jezdcem a jedním z konců (reostatové zapojení), ale používá se potenciometrické zapojení (viz obr. 2), které eliminuje změny rezistivity odporové dráhy způsobené např. teplotou. Odporové senzory se vyznačují velkou linearitou (chyba < 0,1 %). Aby však bylo možné dosáhnout dobré linearity, musí být potlačen vliv zatěžovacího odporu RZ. Proto se v praktických aplikacích používají zesilovače pro impedanční oddělení a pro odstranění vlivu přívodů se místo zdroje napětí U1 používá zdroj proudu. V úloze měříme převodní charakteristiku potenciometrického snímače s různými hodnotami zatěžovacího rezistoru RZ. Ideální je měření při RZ =. Zatěžovací rezistory 9 a 99 kω simulují měření s nevhodným zapojením zesilovače výstupního napětí (např. invertující zesilovač) nebo nevhodným přístrojem (ručkové měřidlo s nízkým vstupním odporem). V těchto případech je převodní charakteristika snímače nežádoucím způsobem deformována. Tab. 1: Důležité parametry odporového snímače Novotechnik TR100 Parametr Hodnota Jednotka Rozsah měření 100 mm Nominální rezistance 5 kω Chyba linearity ± 0,075 % Doporučený proud jezdcem 1 µa Max. proud jezdcem při poruše 10 ma Max. napětí U 1 42 V 4
Obr. 5. Odporový snímač Novotechnik TR100 Vývod jezdce odporového snímače je doplněn rezistorem 560 Ω pro omezení proudu pro případ zkratu, což způsobuje neměnný přírůstek výstupního odporu snímače v celém jeho rozsahu. Optoelektronický inkrementální snímač SL101LB je určený pro přesné měření polohy v rozsahu 0 až 150 mm (v jiných provedeních až do délky 3140 mm). SL 101LB převádí informace o lineárních změnách polohy na elektrické pulsy. Počet těchto pulsů odpovídá změně polohy, jejich frekvence rychlosti pohybu. SL 101LB je složen ze dvou částí, které se vůči sobě pohybují. Jednou částí je hliníkový profil s průřezem 30 x 19 mm uvnitř se skleněným pravítkem, druhou částí je snímací hlava s osvětlovacím systémem s diodou LED, vyhodnocovací elektronikou a kabelem. Vnitřní části SL 101LB jsou zakryté pružnými chlopněmi. Transparentní systém odměřování využívá skleněné pravítko s ryskami (50 rysek na 1 mm) a referenčními značkami po 50 mm. Výstupem snímače jsou TTL signály dle obr. 6. K snímači je připojena zobrazovací jednotka ADP1, která vyhodnocuje signál ze snímače a přímo zobrazuje měřený posuv. Tab. 2. Důležité parametry optoelektronického inkrementálního snímače SL101LB Parametr Hodnota Jednotka Rozsah měření 150 mm Rozlišení 1 µm Délková přesnost ± 5 µm/m Výstupní signál TTL Obr. 6. Výstupní TTL signály optoelektronického snímače SL 101LB (výstup 3 referenční značka) 5
Obr. 7. Optoelektronický snímač SL 101LB a zobrazovací jednotka AD1 Základním principem senzoru polohy LVDT (Linear Variable Differential Transformer) je změna vzájemné indukčnosti mezi primárním vinutím a sekundárními vinutími transformátoru. Podobně jako u klasického transformátoru je primární vinutí připojeno na zdroj střídavého napětí. Výstupní napětí obou sekundárních vinutí je úměrné vzájemným indukčnostem M1 a M2, které závisí na poloze feromagnetického posuvného jádra (viz obr. 8). Obr. 8. Princip uspořádání LVDT senzoru polohy Indukované napětí na sekundárních vinutích (U2a, U2b) je tím větší, čím větší část feromagnetického jádra je mezi primárním a příslušným sekundárním vinutím. Pokud se tato dvě napětí odečtou, pak výstupní napětí UO je přímo úměrné posunutí jádra ± x. Existují dva způsoby vyhodnocování výstupu: a) Pro rozlišení směru posuvu se vyhodnocuje fáze výstupního napětí vůči fázi primárního napětí (při průchodu jádra kolem středové polohy se otočí fáze signálu UO o 180 o ). K tomu se velmi často používá synchronní detektor, který navíc potlačuje vliv vyšších harmonických v obvodu (viz skripta Ripka, Ďaďo, Kreidl, Novák: Senzory a převodníky str. 23). b) Výstupní napětí ze sekundárních vinutí A a B se vyhodnocují tzv. raciometrickou metodou. V analogovém nebo digitálním obvodu je realizován vztah (A - B)/(A + B). Není tedy potřeba rozlišovat fázi vzhledem k primárnímu napětí. Tato metoda je navíc odolná vůči kolísání amplitudy a frekvence vstupního signálu. V úloze je k LVDT připojen analogový obvod AD598, který jednak generuje vstupní střídavé napětí U1 a zároveň raciometrickou metodou vyhodnocuje polohu jádra senzoru a převádí ho na stejnosměrné výstupní napětí. Více informací pro pochopení realizace obvodu (obr. 8) naleznete v přiloženém katalogovém listu AD598. 6
Obr. 9. Princip obvodu AD598 7