7. MĚŘENÍ LINEÁRNÍHO POSUVU Seznamte se s fyzikálními principy a funkcí následujících senzorů polohy: o odporový o optický inkrementální o diferenciální indukční s pohyblivým jádrem LVDT 1. Odporový a optický inkrementální senzor polohy Úkol Změřte převodní charakteristiku odporového senzoru polohy Novotechnik TR100 (závislost výstupního napění na poloze) v potenciometrickém zapojení. Zjistěte, jakým způsobem ovlivňuje měření zatěžovací odpor. Jako referenční snímač použijte optický inkrementální snímač SL101LB připojený k indikátoru ADP1. Určete chybu linearity odporového snímače v měřeném rozsahu. Obr. 1: Přípravek pro měření s odporovým a optoelektronickým snímačem posuvu Princip a použité senzory 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. 1). Rezistor bývá vytvořen navinutím odporového drátu na vhodnou kostru nebo napařením odporové vrstvy na podložku. Obr. 1: 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. 1
Obr. 2: Měřicí uspořádání odporového senzoru polohy Odporové senzory se vyznačují velkou linearitou (chyba < 0,1 % a lepší). Aby však bylo možné dosáhnout dobré linearity, musí být potlačen vliv zatěžovacího odporu R Z. Proto se v praktických aplikacích používají operační zesilovače pro impedanční oddělení. A pro odstranění vlivu přívodů se místo zdroje napětí U 1 používá zdroj proudu. 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 Vývod jezdce odporového snímače je dále vybaven rezistorem 560 Ω pro omezení proudu při zkratu. Tento rezistor tedy znamená neměnný přírůstek odporu v celém rozsahu měření. Obr. 3: Odporový snímač Novotechnik TR100 2
Optoelektronický inkrementální snímač SL101LB je určený pro přesné odměřování v rozsahu 0 až 150 mm (v jiných provedeních až do odměřovacích délek 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 lineárně 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 podle obrázku 4. K snímači je připojena zobrazovací jednotka ADP1, která vyhodnocuje signál ze snímače a přímo zobrazuje měřenou vzdálenost. 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. 4: Výstupní TTL signály optoelektronického snímače SL 101LB (výstup 3 referenční značka) Obr. 5: Optoelektronický snímač SL 101LB a zobrazovací jednotka AD1 3
Postup měření 1. Otáčením kolečka lineárního posuvu najeďte na levou krajní polohu odporového snímače. 2. 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! 3. 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). 4. Proměřte charakteristiku odporového snímače v rozsahu 0 100 mm s krokem 5 mm. Vyneste ji jako funkci f(d)=u 2, kde referenční posunutí d měříte optoelektronickým snímačem. Napětí U 2 měřte voltmetrem na svorce jezdce. Schéma zapojení viz Obr. 2. Měření proveďte pro zatěžovací odpory R Z (nastavujte na odporové dekádě): a) R Z = 99 kω b) R Z = 9 kω c) R Z = 5. Naměřené hodnoty vyneste do grafu, proložte je přímkou a určete její parametry (směrnici, posunutí). Určete chybu linearity pro měřený rozsah. 4
2. Sezor polohy LVDT (Linear Variable Differential Transformer) Úkol Proměřte část statické charakteristiky snímače LVDT Megatron, jehož výstup je vyhodnocován obvodem AD598. Při proměření charakteristiky se zaměřte na obě krajní polohy snímače. Pomocí osciloskopu analyzujte přímo výstupní signály ze sekundárních vinutí snímače. Změřte statickou charakteristiku LVDT pomocí kanálů osciloskopu připojených přímo na sekundární vinutí snímače. Referenční údaj polohy odečítejte z posuvného měřítka spojeného s jezdcem senzoru. Obr. 6: Přípravek pro měření s LVDT snímačem Princip a použitý senzor Základním principem tohoto typu senzoru je změna vzájemné indukčnosti mezi primární a sekundárními cívkami. Podobně jako u klasického transformátoru je primární vinutí napájeno střídavým napěťovým zdrojem. Výstupní napětí obou sekundárních cívek je úměrné vzájemným indukčnostem M 1 a M 2, které závisí na poloze feromagnetického posuvného jádra (viz obr. 7). Obr. 7: Princip uspořádání LVDT senzoru polohy 5
Indukované sekundární napětí (U 2a, U 2b ) je tím větší, čím větší část feromagnetického jádra je mezi primárním a příslušným sekundárním vinutím. Pokud se tato dvě napětí odečtou, pak výstupní napětí U O 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 U O ). K tomu se velmi často používá synchronní detektor, který navíc potlačuje vliv vyšších harmonických v obvodu (podrobněji lze nalézt v literatuře). b) Výstupní napětí ze sekundárů 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 k primárnímu napětí. Tato metoda je navíc odolná ke kolísání amplitudy a frekvence vstupního signálu. V úloze je k LVDT připojen analogový obvod AD598, který jednak vytváří vstupní střídavé napětí U 1 na primáru a zároveň raciometrickou metodou vyhodnocuje polohu jádra senzoru a převádí ho na stejnosměrné výstupní napětí. Více informací pro pochopení realizace obvodu (Obr. 8 a 9) naleznete v přiloženém katalogovém listu AD598. Obr. 8: Princip obvodu AD598 Obr. 9: Analogová realizace raciometrické metody v obvodu AD598 6
Postup měření 1. Jezdcem posuvného měřítka najeďte do pravé krajní polohy. 2. Na svorky POWER SUPPLY přípravku zapojte stejnosměrné napětí ±15 V a GND. 3. Ke svorkám SIGNAL OTPUT připojte stejnosměrný voltmetr a ke svorkám SECONDARY OUTPUTS, kam jsou vyvedeny přímo výstupy sekundárů LVDT, připojte dva kanály osciloskopu. 4. Pomocí posuvného měřítka posunujte feromagnetické jádro snímače LVDT v rozsahu 0 100 mm s krokem 5 mm. a) Proměřte statickou charakteristiku jako funkci f(d)=u O, kde d je údaj z posuvného měřítka a U O je výstupní napětí zpracované obvodem AD598. b) Pomocí osciloskopu proměřte statickou charakteristiku tak, že prostřednictvím matematických funkcí zrealizujete rozdíl signálů ze sekundárů (A - B). Poté měřte efektivní hodnotu (RMS) vypočteného signálu. Sledováním fáze určíte správné znaménko signálu. 5. Najděte středovou polohu (U O = 0) a detailněji proměřte výstup senzoru v blízkém okolí ±5 mm s krokem 1 mm. 6. Změřené hodnoty vyneste do grafu, proložte je přímkou a určete její parametry (směrnice, posunutí). Určete chybu linearity pro celý měřený rozsah. 7. Určete takový měřicí rozsah, ve kterém chyba linearity nepřesáhne hodnotu: a) 5 %, b) 1 %. 7