7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory

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


2

Senzory polohy lineární / rotační • Dvoustavové • S kodovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické

• Lineární – odporové – indukčnostní – kapacitní – optické – ultrazvukové 2014


3

Dvoustavové senzory polohy

(proximity switch)

dvoustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor

2014

lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní ...


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:

2014

otáčky (bicykl), poloha (dveře)


5

Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů Active Speed and Position Sensors for Engine Management

Honeywell 2014


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


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

2014

Ideal Output of the GMR Sensor – from Infineon


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


9

Optoelektronické senzory polohy Založené na: • změna polohy světelné stopy • zastínění (optická závora) • odraz • zrcadlový • difuzní • interference • doba šíření

2014


10

Optické detektory : fotodioda

Ripka (ed): Modern Sensors Handbook 2014


11

(Position-Sensitive photo Detectors Polohově citlivé detektory)

PSD I A  I0

RL  RX RL

I B RX x   I 0 RL L

;

I B  I0

RX RL

IA L  x  I0 L

IA  IB IA  IB L  x x x     1 2 IA  IB I0 L L L

fotodioda s rozdělenou anodou, i zde se používá záporné předpětí

2014


12

CCD a CMOS obrazové snímače microlens red color filter

reset transistor

amplifier transistor column bus transistor silicon substrate

row select bus photodiode n+ potential well

2014

CMOS: pixel tvořen fotodiodou a MOS tranzistorem, napěťový výstup. Výběr řádku-sloupce spínacími tranzistory. Umožňuje zpracování obrazu na stejném chipu. 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


14

Inkrementální senzor polohy

min = 7 m Interpolátory: až 50 nm

Existují i v magnetickém a kapacitním provedení 2014


15

Inkrementální senzor polohy – magnetický princip

2014


16

Inkrementální senzor polohy

min = 7 m Interpolátory: až 50 nm

Kvadraturní ?? výstupy

2014


17

Kódový absolutní senzor polohy position

i magnetické provedení

Grayův kód

2014


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 2014

aperture

Rec2 A3B38SME přednáška 7

Em Rec3 Rec1 19

Retroreflektivní senzor s odražečem

2014


20

Triangulační senzory

Difusní odraz

??

Pro střední vzdálenosti přesnost až 10 m 2014


21

Optická závora

2014


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


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


24

Senzor clonicího typu (scanner)

2014


25

čtečky čárového kódu

1. pero konst. rychlost

3. laserový snímač až do 10 m 2014

www.denso-wave.com

2. CCD snímač

4. obrazový snímač A3B38SME přednáška 7

26

Interferometrické senzory polohy

Michelsonův interfermetr

2014


27

Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna .... v = 3000 m/s = 3m / ns

2014

(původně zpožďovací linka)

 max. délka až 4 m (útlum) Animace:  hystereze 0.4 m http://www.rdpe.com/ex/hiw-magneto.htm  linearita 0.02 % 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


29

7. Měření lineární a úhlové polohy. Optoelektronické a ultrazvukové senzory

Recommend Documents