4. SENZORY S INDUKČ INDUKČNOSTÍ NOSTÍ Přednášející: Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
[email protected], http://micro.feld.cvut.cz tel.: 2 2435 2267 Cvičící:
Ing. Pavel Kulha Ing. Adam Bouřa 1
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
L = f (S , l, N , μ )
Princip činnosti
dL =
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
2
Typické použití a rozdělení senzorů
∂L ∂L ∂L ∂L dS + dl + dN + dμ ∂S ∂l ∂N ∂μ Ls
C
Rd
Rs
Rk
L = f (S , l , N , μ ) Ck
L
Pracovní kmitočet
Rd , Rs , ωLs ≤≤ ωL ≤≤ ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
1 1 , ,R ωC ωC k k
3
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
4
A) Indukčnostní (Induktanční)
A) Indukčnostní Princip činnosti
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
5
A) Indukčnostní senzory - realizace
A) Indukčnostní senzory - realizace
snímače s pouzdry z plastů (vazební - flush device)
snímače s pouzdry z kovu (nevazební - Non-flush device)
senzor s upevňovacím závitem
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
6
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
7
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
senzor bez závitu - hladké
8
A) Indukčnostní
A) Indukčnostní
a) Malá vzduchová mezera – rozsah 3 μm - 5 μm
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Cívka s feritovým jádrem (vyšší kmitočet)
9
A) Indukčnostní
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
10
A) Indukčnostní senzory - realizace
a) Malá vzduchová mezera – realizovaný snímač
Senzor přiblížení má několik za sebe řazených elektrických bloků Oscilátor (Oscilator) Vyhodnocovací obvody (Evaluation Circuit) Koncový stupeň (Output Circuit)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
11
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
12
A) Indukčnostní
A) Indukčnostní
a) Malá vzduchová mezera – rozsah 3 μm - 5 μm
Příklady použití indukčnostních senzorů přiblížení v praktických aplikacích
Základní a nejběžnější principy detekce přiblížení kovového předmětu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
13
tloušťka
vychýlení
mezery
tloušťka
vyosení
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
A) Indukčnostní
A) Indukčnostní
b) Posunutí jádra (změna S) – rozsah 3 μm - 100 mm
b) Posunutí jádra – rozsah 3 μm - 100 mm
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
15
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
vychýlení 14
16
A) Indukčnostní
A) Indukčnostní
Úprava pro měření velkých posunutí – rozsah
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Úprava pro měření velkých posunutí – rozsah
17
A) Indukčnostní
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
18
A) Indukčnostní
c) Potlačené mg. pole – vířivé proudy – rozsah 3 μm - 5 mm
c) Potlačené mg. pole – vířivé proudy – rozsah 3 μm - 5 mm
Deska musí být elektricky vodivá (Cu)– vznik vířivých proudů
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
19
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
20
A) Indukčnostní
A) Indukčnostní
c) Potlačené mg. pole – vířivé proudy – rozsah 3 μm - 5 mm
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
21
A) Indukčnostní
d) Vzájemná indukčnost – rozsah 3 μm - 3 mm
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
22
B) Změna vlastností jádra (magnetoelastické změna μ)
Příklad: zářezový senzor (induktivní závora)
Princip: Vzájemná indukčnost L1 a L2 nastavena bez jádra tak, aby OSC kmital Zasunutím jádra se změní vzájemná indukční vazba – OSC přestane kmitat, změna amplitudy na výstupu ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
23
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
24
B) Změna vlastností jádra (magnetoelastické změna μ)
L = f ( μr )
C) Indukční (magnetoinduktivní)
μr = f(změna fyzikálních veličin)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
25
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
C) Indukční (magnetoinduktivní)
C) Indukční
a) elektromagnetický princip
b) elektrodynamický princip
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
27
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
26
28
D) Magnetostrikční
D) Magnetostrikční
Inverzní jev k Wiedemanovu jevu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
29
E) Magnetoanizotropní (změna směru mg. pole)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
30
E) Magnetoanizotropní (změna směru mg. pole)
31
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
32
Elektronické vyhodnocovací obvody
Transformátorový senzor polohy LVDT - změna indukční vazby (transformátor s proměnnou vazbou) LVDT – Linear Variable Differential Transformer
výstup - střídavé napětí
výstup - stejnosměrné zesílené napětí
výstup - stejnosměrné napětí
spínaný usměrňovač (synchronní detektor)
výstup – synchronní detektor (stejnosměrné napětí)
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
33
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Transformátorový senzor polohy
Transformátorový senzor polohy
LVDT – konstrukce (LVDT – Linear Variable Differential Transformer )
LVDT – konstrukce (LVDT – Linear Variable Differential Transformer )
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
35
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
34
36
Elektronické vyhodnocovací obvody
Elektronické vyhodnocovací obvody
koncový stupeň 3 drátového senzoru
připojení 2,3,4 drátových senzorů
oscilátor
sériové řazení 2 a 3 drátových senzorů ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
37
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
38
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu Příklad: Zářezové senzory
Příklad: Magnetoinduktivní senzor
Pouzdro zářezových senzorů má U-tvar, aktivní plocha je mezi vidlicemi
Typické aplikace – především potrubní čisticí elementy nebo kontrola dveří a vrat.
Aktivace zářezových senzorů probíhá zasunutím objektů do senzoru
Magnetoinduktivní senzory jsou aktivovány externími magnetickými poli, dosahují vysokých spínacích vzdáleností až 90 mm.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
paralelní řazení 2 a 3 drátových senzorů
Jsou schopny spolehlivě snímat objekty, jejichž vzdálenost od aktivní plochy postranní přiblížení není přesně určena
39
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
40
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Příklad: se selektivním chováním
Příklad: s integrovaným hlídačem otáček
Selektivní senzory rozlišují feritové kovy od neferitových
Senzor a vyhodnocovací zařízení jsou v jednom pouzdře
Aplikace jsou např. rozlišování součástek a nástrojů nebo obrobků z různých materiálů jakož i jednoduché kódovací úlohy
Nastavitelným vyhodnocovacím zařízením může být kontrolováno podkročení nebo překročení rozsahu otáček od 0...3000 ot/min Pomocí periodického zatlumování senzorů na hřídeli umístěnou kovovou clonkou nebo přímým snímáním zubů na ozubeném kole
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
41
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Příklad: s analogovým výstupem
Příklad: pro vysoké tlaky
Jednoduché regulační aplikace
Použití v hydraulických systémech
Analogový výstup - dodávají proudový, napěťový a frekvenční signál proporcionální měřené vzdálenosti
Speciální těsnění v přední části senzoru a dodatečné vnější utěsnění např. pomocí O-kroužku
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
42
43
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
44
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Příklad: Senzory odolné vůči magnetickému poli
Příklad: pro potravinářský průmysl
Senzory odolné vůči magnetickému poli, indukční senzory s feritovým jádrem
• V mlékárnách, pivovarech, pekárnách, mrazírnách nebo při balení a plnění potravin
Speciální pouzdro (např. teflonovaný závit nebo svařovacímu poli odolný duroplastový kryt) pro použití ve svařovnách
• Umožňují optimalizaci procesů a snížení nákladů
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
45
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
46
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Příklad: Senzory odolné vůči tlaku a mořské vodě
Příklad: pro extrémní okolní podmínky
Speciální pouzdra odolné vůči tlaku a mořské vodě
Aplikace v potravinářském průmyslu a strojírenství
Senzory lze trvale používat až v hloubce 500 m
Senzory naprosto nepropustné a odolné vůči čisticím prostředkům, chladicím a mazacím kapalinám, řezným a brusným olejům
Dalšími oblastmi využití jsou jezy, zdymadla a pobřežní aplikace.
Spolehlivé utěsnění, robustní pouzdra, nerezová pouzdra.
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
47
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
48
Aplikace senzorů s indukčností v průmyslu
Otázky
Příklad: pro extrémní mechanické zatížení Speciální čelní kryt chrání senzor před extrémním mechanickým zatížením Umožňuje použití senzoru v prostředích s tvrdými údery nebo krátkodobými vysokými teplotami (svařování, špony při obrábění).
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
49
Senzory s indukčností 1. Princip činnosti 2. náhradní lineární zapojení měřicího systému s kapacitními senzory 3. odvození pracovního kmitočtu Indukčnostní (Induktanční) - pasivní senzor y 1. Princip činnosti a vyhodnocování informace 2. Princip měření se změnou vzduchové mezery mezi jádrem a pracovní částí 3. Princip měření s posunutím jádra 4. Princip měření s potlačeným mag. Polem – víři vé proudy 5. Princip měření se vzájemnou indukčností (zářezový senzor) 6. Elektronické obvody pro vyhodnocování signálu Změna vlastností jádra (magnetoelastické -změna μ) 1. Princip činnosti 2. Magnetoelastické senzory 3. Elektronické obvody pro vyhodnocování signálu Indukční (magnetoinduktivní) - aktivní senzory 1. Elektromagnetický princip, základní rovnice 2. vyhodnocování signálu u elektromagnetického principu 3. Elektrodynamický princip, základní rovnice 4. vyhodnocování signálu u elektromagnetického principu Magnetostrikční 1. Princip magnetrikce, Wiedemanův jev 2. Princip měření 3. Elektronické obvody pro vyhodnocování signálu Magnetoanizotropní (změna směru mg. pole) 1. Princip změny směru magnetického pole 2. Vyhodnocování signálu Transformátorový senzor polohy (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) 1. Princip činnosti a vlastnosti 2. základní zapojení vyhodnocovacích obvodů
ČVUT FEL Praha, Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.
50
