Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Měření snímačů polohy Diplomová práce
Vedoucí práce:
Vypracoval:
Dr. Ing. Radovan Kukla
Bc. Tomáš Chlup
Brno 2010
Mendelova univerzita v Brně Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Agronomická fakulta 2009/2010
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Autor práce: Studijní program: Obor:
Název tématu:
Bc. Tomáš Chlup Zemědělská specializace Management techniky
Měření snímačů polohy
Rozsah práce:
55 - 60 stran textu
Zásady pro vypracování: 1. 2. 3. 4.
Analýzy snímačů polohy Výběr snímače a návrh metodiky měření. Analýza výstupních dat. Zhodnoťte možnosti použití.
Seznam odborné literatury: 1. Odborné časopisy – Automatizace 2. WWW stránky výrobců snímačů. 3. Zehnula K., Čidla robotů, SNTL Praha, 1990
Datum zadání diplomové práce:
říjen 2008
Termín odevzdání diplomové práce: duben 2010
Bc. Tomáš Chlup Autor práce
Dr. Ing. Radovan Kukla Vedoucí práce
prof. Ing. Jan Mareček, DrSc. Vedoucí ústavu
prof. Ing. Ladislav Zeman, CSc. Děkan AF MENDELU
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Měření snímačů polohy“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MENDELU v Brně.
Dne 20. 4. 2010 podpis diplomanta…………………
Poděkování Děkuji svému vedoucímu diplomové práce Dr. Ing. Radovanu Kuklovi, za cenné rady, podnětné připomínky a za odborné vedení při zpracování diplomové práce. Dále děkuji firmě VR Group, která mi poskytla zázemí pro měření a zejména Mgr. Vítězslavu Rejdovi za odbornou pomoc při sestavování úlohy.
Abstrakt V mojí diplomové práci na téma „Měření snímačů polohy“ jsem se zabýval snímači polohy a posunutí a jejich měřením. V první části jsem se zaměřil na obecný popis a principy jednotlivých snímačů. V další části jsem uvedl možnosti použití jednotlivých snímačů podle jejich základních vlastností. Dále jsem popsal možnosti přenosu dat a jejich zpracování. Hlavním cílem mé diplomové práce bylo porovnání dvou snímačů z hlediska jejich přesnosti. Dle mého měření se jako přesnější jeví optický enkodér. Pro lepší porovnání obou snímačů by bylo zapotřebí kompaktní provedení magnetického enkodéru.
Klíčová slova: snímač, poloha, konstrukce, enkodér
Abstract In my diploma thesis „Measurement of position sensors“ I dealt with the position sensor and displacement, and their measurement. The first part focused on general principles and a description of the individual sensors. In the next section I mentioned the possibility of using different sensors according to their basic properties. I also described the possibility of data transmission and processing. The main goal of my thesis was to compare the two sensors in terms of their accuracy. My measurements are as accurate optical encoder appears. For better comparison of the two sensors would need to compact the magnetic encoder.
Keywords: sensor, location, construction, encoder
Obsah 1
ÚVOD........................................................................................................................ 9
2
Cíl .............................................................................................................................. 9
3
Principy snímačů ..................................................................................................... 10 3.1
Lankové snímače .............................................................................................. 10
3.2
Odporové snímače ............................................................................................ 11
3.2.1 3.3
Kapacitní snímače polohy ................................................................................ 12
3.3.1 3.4
Konstrukce ................................................................................................ 14
Ultrazvukové snímače ...................................................................................... 21
3.5.1 3.6
Obvody pro zapojení ................................................................................. 13
Indukční snímače ............................................................................................. 14
3.4.1 3.5
Konstrukce ................................................................................................ 11
Konstrukce ................................................................................................ 21
Kamerové snímače ........................................................................................... 22
Konstrukce ............................................................................................................... 22 Princip...................................................................................................................... 23 3.7
Fluidikové snímače .......................................................................................... 23
3.7.1
Odporové .................................................................................................. 24
3.7.2
Proudové ................................................................................................... 24
3.8
Optické snímače ............................................................................................... 26
3.8.1
Popis základních součástí ......................................................................... 27
3.8.2
Přijímač světla........................................................................................... 28
3.8.3
Reflexní snímače....................................................................................... 28
3.8.4
Jednocestné optické závory ...................................................................... 29
3.8.5
Optovláknové snímače .............................................................................. 29
3.8.6
Kontrastní snímače ................................................................................... 30
3.8.7
Luminiscenční snímače............................................................................. 31
3.8.8
Snímače barvy........................................................................................... 31
3.8.9
Prosvětlovací snímače............................................................................... 33
3.9
Magnetické snímače ......................................................................................... 34
3.9.1
Reedův snímač .......................................................................................... 34
3.9.2
Snímač s nasycovaným jádrem ................................................................. 35
3.9.3
Hallova sonda ........................................................................................... 36
4
5
Využití snímačů ...................................................................................................... 37 4.1
Odporové .......................................................................................................... 37
4.2
Indukční snímače ............................................................................................. 37
4.3
Kapacitní snímače ............................................................................................ 38
4.4
Ultrazvukové snímače ...................................................................................... 38
4.5
Optické snímače ............................................................................................... 39
4.6
Magnetické snímače ......................................................................................... 40
4.7
luminiscenční snímače ..................................................................................... 40
4.8
Kamerové snímače ........................................................................................... 41
Přenos dat ze snímačů ............................................................................................. 41 5.1
Kabely .............................................................................................................. 41
5.2
Proudová smyčka ............................................................................................. 42
5.3
Optický kabel ................................................................................................... 42
5.3.1
Typy optických vláken.............................................................................. 43
5.3.2
Media konvertory ...................................................................................... 44
5.4
Bezdrátový přenos ............................................................................................ 44
5.4.1
6
7
Wi-Fi ......................................................................................................... 45
5.5
Bezpečný výstup .............................................................................................. 45
5.6
Sběrnice ............................................................................................................ 46
5.6.1
ISO/OSI .................................................................................................... 46
5.6.2
RS-422,RS-423 a RS-485 ......................................................................... 47
5.6.3
CAN .......................................................................................................... 49
5.6.4
DeviceNet ................................................................................................. 50
5.6.5
M-BUS ...................................................................................................... 50
5.6.6
Ethernet ..................................................................................................... 51
5.6.7
Hart ........................................................................................................... 52
Zpracování dat ......................................................................................................... 53 6.1
PLC jednotky ................................................................................................... 53
6.2
Univerzální měřiče ........................................................................................... 54
Měření snímačů ....................................................................................................... 55 7.1
Magnetický enkodér AS 5040 .......................................................................... 55
7.1.1
Popis funkce .............................................................................................. 56
7.1.2
Absolutní informace o úhlu natočení ........................................................ 57
7.1.3
Inkrementální výstup ................................................................................ 58
7.1.4
PWM výstup ............................................................................................. 58
7.2
Optický enkodér ENC1J .................................................................................. 59
7.2.1 7.3
Čítač HCTL 2020...................................................................................... 60
Schéma zapojení snímačů ................................................................................ 60
7.3.1
Optický snímač a jeho zapojení ................................................................ 61
7.3.2
Magnetický snímač a jeho zapojení .......................................................... 61
7.4
Výsledky měření .............................................................................................. 62
7.4.1
Optický enkodér ........................................................................................ 62
7.4.2
Magnetický enkodér ................................................................................. 64
8
Závěr ........................................................................................................................ 66
9
Seznam literatury ..................................................................................................... 67
10
Seznam obrázků ................................................................................................... 68
1
ÚVOD Snímače polohy, výchylky a posunutí se hojně používají v automatizačních proce-
sech. Hlavně u manipulačních procesů je třeba znát s dostatečnou přesností lineární i úhlové výchylky. Další důležitou vlastností snímačů je také rychlost měření a odolnost vůči parazitním vlivům jaké jsou například vlhkost, teplota, elektromagnetické pole, vibrace. Snímače se používají k indikaci polohy nebo získání spojitého signálu. Některé snímače se v hojné míře používají k zabezpečení provozu, kdy je třeba zajistit bezpečný odstup obsluhy od strojů se zvýšeným rizikem úrazu. Snímače využívají různých fyzikálních principů a podle tohoto hlediska je lze dělit na snímače odporové, indukční, magnetické, fotoelektrické, elektrokontaktní, kapacitní, kamerové, luminiscenční, akustické. Další možností jak rozdělit snímače do skupin je například podle tvaru dráhy na lineární a úhlové, dle způsobu měření na kontaktní a bezkontaktní, dle typu vstupního signálu na číslicové a analogové. Každý ze snímačů má jiné vlastnosti a tudíž je důležité vědět, na jaký konkrétní účel ho chceme použít a v jakých podmínkách. Při nesprávném výběru by mohlo docházet k častým chybám měření nebo poruchovosti. Jelikož se při zpracovávání signálů využívá zejména číslicové techniky, používají se ve větší míře snímače číslicové. V dnešní době je kladen požadavek na co nejmenší rozměry a velkou výkonnost. Výrobci přicházejí s novými technologiemi, díky kterým se daří konstruovat snímače miniaturních rozměrů. V jednom čipu je například samotný snímač a elektronika pro převod signálu z tohoto snímače nebo dokonce i vyhodnocení dat. [1]
2
CÍL Cílem mé práce je vytvoření přehledu snímačů polohy a posunutí a jejich využití.
Dále popis přenosu dat z těchto snímačů a jejich zpracování. Hlavním cílem je porovnání dvou snímačů natočení z hlediska jejich přesnosti a využitelnosti. Pro tento úkol je třeba sestavit přípravek na měření snímačů, který bude umožňovat změnu úhlu s dostatečně malým krokem a bude zároveň zobrazovat hodnoty v porovnatelném formátu. 9
3
PRINCIPY SNÍMAČŮ
3.1 Lankové snímače Lankové snímače jsou zařízení určená k odměřování délek, lineární dráhy nebo polohy a pohybu objektu pomocí pružného lanka, které se navíjí na odpružený buben uvnitř snímače. Konec lanka je upevněn na pohybujícím se objektu a těleso snímače je připevněno k pevné podložce. Lanko se při pohybu objektu odvíjí či navíjí na buben, na který je mechanicky připojen snímač otáčení. Ten převádí otáčivý pohyb na nějaký elektrický signál, analogový nebo digitální, absolutní nebo inkrementální, který je úměrný lineárnímu prodloužením lanka nebo rychlosti jeho pohybu (odvíjení). Tento signál je pak možné dále libovolně zpracovávat v řídících jednotkách nebo zobrazit na displeji měřidla, stejně, jako signál z jakékoliv běžného rotačního snímače. Zpětné navíjení lanka bývá zajištěno pružinou. [2]
Obr. 3.1 Základní struktura lankového snímače
10
3.2 Odporové snímače Tyto snímače využívají změnu polohy sběrače na odporové dráze. Tato změna může být skoková nebo lineární. Pro odporové snímače jsou důležité zejména tyto vlastnosti: •
Rozlišovací schopnost – udává, jaký přírůstek dokáže potenciometr spolehlivě rozlišit. Potenciometry s nejvyšším rozlišením jsou vrstvové (až 0,01%). U vinutých potenciometrů je rozlišení dáno skokovou změnou odporu mezi sousedními závity.
•
Životnost – udává počet cyklů při zadaných provozních podmínkách. Životnost vinutých typů je okolo 106, u vrstvových a hybridních typů se pohybuje okolo 107.
3.2.1 Konstrukce
Nejčastěji používané a nejlevnější vrstvové potenciometry mají odporovou dráhu ze speciálního laku plněného sazemi. Dráha je málo odolná, životnost potenciometru je krátká. Jakostnější jsou potenciometry s dráhou z tvrdého uhlíku nebo cermetu. (Cermet je složenina počátečních slabik slov ceramic-metal. Je to speciální sklo, v němž je rozptýlen prášek drahých kovů.) Tyto potenciometry mají velkou stabilnost odporu, dlouhou životnost a malý šum. Vinuté potenciometry bývají nejčastěji vyrobeny z manganinu nebo konstantanu. Sběrače jsou nejčastěji vyrobeny ze slitiny platiny a iridia nebo platiny a berilia.
Obr. 3.2 Odporový snímač lineární
11
Snímače lze rozdělit i konstrukčně podle dráhy jezdce: •
Kruhové
•
Lineární
•
Šroubovicové
•
Speciální
U lineárních snímačů se sběrač posouvá po přímkové dráze. Kruhové snímače mají odporovou dráhu kruhovou s možností otočení až o 360°. Šroubovicové snímače mají odporový drát navinut na izolovaném nosném drátu ve tvaru šroubovice. Sběrač sleduje dráhu této šroubovice. Tyto snímače se vyznačují vysokou přesností. Mezi speciální snímače lze zařadit čidla s vysokou přesností, spolehlivostí, nebo jinou speciální vlastností. [1]
3.3 Kapacitní snímače polohy Jedná se o kondenzátor minimálně ze dvou elektrod, z nichž alespoň jedna musí být pohyblivá. Tyto snímače jsou konstrukčně jednoduché, lehké a mají malé rozměry.
Vyskytují se ve třech základních konstrukcích: •
Využívající změnu plochy elektrod
•
Využívající změnu vzdálenosti elektrod
•
S proměnlivou tloušťkou nebo plochou dielektrika
U každé z těchto skupin lze použít jednoduché nebo diferenciální uspořádání. Podle tvaru elektrod je lze rozdělit na snímače s válcovou elektrodou a snímače s rovinnou elektrodou. Realizovány mohou být analogově nebo číslicově. V případě analogových se jedná o rozsahy v jednotkách milimetrů až po stovky milimetrů. U číslicových probíhá snímání přírůstkově nebo absolutně. Základním řešením je jednoduchý kondenzátor s proměnlivou mezerou mezi elektrodami (Obr. 2.2). Pro snímání posunutí se pro jednoduché konstrukční řešení a lineární charakteristiku používá souosé uspořádání elektrod, kde se mění plocha překrytí (Obr. 2.2).
12
Obr. 3.3 Kondenzátor s proměnlivou mezerou
Obr. 3.4 Kondenzátor se souosým uspořádáním
Další možností je kapacitní snímač pracující na principu vyhodnocení změny permitivity prostředí, takže je vhodný pro detekci polohy a přítomnosti nemagnetických materiálů, jako jsou kapaliny, plastické hmoty, sklo, keramika, dřevo, kámen, aglomerované materiály, práškové hmoty apod. [1] Pro optimální přizpůsobení do nejrůznějších konstrukcí jsou vyráběny v kovových i plastových pouzdrech válcového a pravoúhlého tvaru se snímací vzdáleností od 0,5 do 15 mm. K dispozici jsou také speciální kapacitní snímače určené ke kontaktnímu snímání hladiny vodivých i nevodivých kapalin. Princip senzoru je vidět na obrázku 2.4. Elektrody A a B jsou spojeny do zpětné větve vysokofrekvenčního oscilátoru, který je naladěn tak, že neosciluje, pokud je prostor před elektrodami volný. Když se objekt přiblíží, vstoupí do elektrického pole v přední části elektrod a způsobí změnu kapacity. Oscilátor začne oscilovat, amplituda je zaznamenána a vyhodnocovací obvod ji přemění na spínací signál příkaz. Spínací vzdálenost je závislá na dielektrické konstantě snímaného materiálu.
Obr. 3.5 Princip senzoru
3.3.1 Obvody pro zapojení
Parazitní vliv přívodů může výrazně ovlivnit vlastnosti kapacitního snímače. Pro to se používají speciální zapojení těchto snímačů, aby se vliv kapacity přívodů co nejvíce potlačil. 13
Nejčastěji používaná zapojení jsou pomocí: 1) zpětnovazebního děliče 2) můstku 3) rezonančního obvodu Pro diferenční zapojení snímačů se nejvíce používá můstkové zapojení. U tohoto zapojení se k potlačení parazitního vlivu přívodů používá transformátorový můstek (Obr. 2.5). Hlavním požadavkem je co nejmenší rozptylová indukčnost a malý vnitřní odpor. Musí platit, že frekvence generátoru, kterým je můstek napájen, je menší než rezonanční frekvence obvodu. Rezonanční obvod se při měření používá dvojím způsobem: •
Zapojením kapacitního snímače do rezonančního obvodu. Nejvíce se používá v prostředí s velkým rušením.
•
Jako dělič napětí. U tohoto zapojení je nevýhodou požadavek na stabilitu generátoru a vliv ostatních členů obvodu. [1]
Obr. 3.6 Transformátorový můstek
3.4 Indukční snímače Jde o snímače, které mají široký rozsah snímání od jednotek mikrometrů po stovky milimetrů. Jsou zapojeny v obvodu se střídavým napájením a vyznačují se především velkou spolehlivostí.
3.4.1 Konstrukce
Jedná se o velmi početnou skupinu snímačů. Vlastní snímač je tvořen cívkou nebo systémem cívek bez feromagnetického jádra, s neferomagnetickým nebo feromagnetic-
14
kým jádrem. Při změně polohy dojde k vzájemnému posunutí těchto částí a tím ke změně vlastní nebo vzájemné indukčnosti.
Konstrukčně lze indukční snímače rozdělit takto: a) Snímač s proměnnou vzduchovou mezerou b) Snímač s konstantní vzduchovou mezerou c) Snímač s otevřeným magnetickým obvodem d) Snímač s potlačeným polem e) Snímač bez feromagnetika f) Indukční snímače pro velké výchylky g) Oscilátorové snímače h) Polohový transformátor i) Induktosin
3.4.1.1 Snímač s proměnnou vzduchovou mezerou
U tohoto snímače se může měnit velikost vzduchové mezery (obr. č. 2.6) nebo její plocha (obr. č. 2.7). Závislost změny vzduchové mezery je pro větší vzdálenosti nelineární, proto se tyto snímače používají pro malé rozsahy. Zvýšení rozsahu můžeme dosáhnout diferenčním zapojením. [1]
Obr. 3.7 S proměnnou vzduchovou mezerou Obr. 3.8 S proměnnou plochou vzduchové mezery
15
3.4.1.2 Snímač s konstantní vzduchovou mezerou
Tento snímač je řešen jako diferenční. Jeho základní princip je na obr. č. 2.8. Skládá se z budících cívek a pohyblivé cívky. Je-li pohyblivá cívka uprostřed pólových nástavců, je na svorkách této cívky nulové napětí. Pokud dojde k posunutí cívky, mění se dílčí magnetický tok, který prochází cívkou a na svorkách se objeví napětí, které je úměrné velikosti posunutí. Charakteristika čidla je lineární, ale jeho nevýhodou jsou pohyblivé kontakty cívky. [1]
Obr. 3.9 S otevřeným magnetickým obvodem
3.4.1.3 Snímač s otevřeným magnetickým obvodem
Princip spočívá v tom, že se do cívky zasouvá pohyblivé feromagnetické jádro a tím se mění indukčnost této cívky. Cívka je většinou umístěna ve feromagnetickém krytu, aby nedocházelo k ovlivňování z okolí. Citlivost těchto snímačů je 0,01µm. Charakteristiku lze linearizovat v poměrně široké oblasti posunutí jádra od 3 µm až po 100 mm diferenčním uspořádáním dvou senzorů. [1]
3.4.1.4 Snímač s potlačeným polem
Průchodem proudu cívkou se vytvoří magnetické pole, které indukuje v elektricky vodivém médiu elektromotorické napětí. Toto napětí zapříčiní vznik vířivých proudů, které vytvoří magnetické pole působící proti poli, jež je vyvolalo. Tím se zmenšuje (potlačuje) intenzita původního pole. Elektricky vodivé médium je měřená část. Při změně polohy snímače se budou měnit geometrické parametry. Cívka bez feromagne16
tického jádra má malou hmotnost ale také malou citlivost a musí pracovat v obvodu s vyšší frekvencí. Citlivost lze zvýšit použitím feromagnetického jádra. Tyto snímače jsou citlivé na vnější magnetická pole a feromagnetika. Základní typy snímačů jsou na obrázku 2.9.
Obr. 3.10 Indukční snímač s potlačeným polem
Obr. 3.11 Indukční snímač s potlačeným polem a jeho zapojení
Snímač může být řešen jako jednoduchý (obr. 2.11) nebo diferenční (obr. 2.12), dále jako impedanční nebo transformátorový. [1]
Obr. 3.12 S potlačeným polem jednoduchý
Obr. 3.13 S potlačeným polem diferenční
17
3.4.1.5 Snímač bez feromagnetika
Tento snímač pracuje na principu vzájemné indukční vazby dvou cívek, kde jedna je pevná a druhá posuvná (obr 2.13). Používá se pro snímání malých výchylek posunutí. Díky absenci feromagnetické části odpadají parazitní vlivy spojené s feromagnetikem. Tyto snímače se dají použít pro široký rozsah teplot. [1]
Obr. 3.14 Indukční snímač bez feromagnetika
3.4.1.6 Indukční snímače pro velké výchylky
Jedná se o snímač polohy měřícího šroubu. Na střední části magnetického obvodu je budící vynutí. Při pootočení šroubu se posune profil závitu v osovém směru a tím se poruší rovnováha mezi napětím U 1 a U 2 . Kvůli vymezení házení šroubu je dobré použít uspořádání se dvěma jádry jak je vidět na obrázku 2.14. Tímto způsobem lze snímat polohu v rozsahu 1000 mm s přesností ± 2 µm. [1]
Obr. 3.15 Indukční snímač pro velké výchylky
3.4.1.7 Oscilátorové snímače
Jde o bezdotykový snímač spínacího typu. Využívá se u něj principu snímače indukčního s potlačeným polem. Základ tohoto snímače je realizován jako oscilátor 18
s rezonančním obvodem, u kterého dojde k zatlumení při přiblížení elektricky vodivého tělesa. Další možností je oscilátor se zpětnou indukční vazbou, která se mění elektricky vodivým tělesem. Amplituda kmitů se může měnit skokem, nebo plynule. Většinou se používají snímače se skokovou změnou amplitudy. Výstupní signál ze snímače je v napájecím obvodu oscilátoru a to napěťový nebo proudový nebo také na výstupu oscilátoru, zesilovače taktéž napěťový nebo proudový. Frekvence oscilátoru snímače se pohybuje v rozmezí jednotek kilohertz až po 200 kHz. Tyto snímače se vyznačují dlouhou životností. [1]
3.4.1.8 Polohový transformátor
Konstrukcí je tento snímač podobný selsynu. Jeho použití je zejména pro převod úhlové výchylky na elektrický signál. Zajímavé řešení má takzvaný otočný transformátor. Má jednofázové budící vynutí a jednofázové výstupní vynutí. Magnetický obvod je navržen tak, že výstupní napětí je v určitém rozsahu přímo úměrné výchylce. Přesnost snímání úhlu je ±0,1 až ±0,5 %. Speciální polohový transformátor je fázový měnič, určený jako polohový odměřovací snímač u obráběcích strojů. Nejčastěji má dvoufázové vinutí jak na rotoru, tak i na statoru. V jednom vinutí je natočení rotoru úměrné sinu úhlu a v druhém vinutí je natočení úměrné cosinu úhlu. [1]
3.4.1.9 Induktosyn
Jde v podstatě o polohový transformátor, který má zvláštní plošnou konstrukci (Obr. 2.15). Hodí se k měření lineárních i úhlových výchylek. Je sestaven ze dvou částí, z nichž jedna je pevná (měřítko) a druhá pohyblivá (snímací), která se posouvá nad měřítkem. Obě vinutí jsou vyrobena technikou plošných spojů na podkladových deskách s izolační vrstvou. Tříkanálová snímací hlava poskytuje dva inkrementální výstupní signály A a B realizující fázově posunutý (kvadraturní) výstup a indexový signál I. Zatímco sledováním a porovnáním A a B kanálů lze získat informaci o směru a rychlosti pohybu detekčního proužku, indexový signál I slouží k orientaci, tedy přesněji zjištění počátku. Ten se upevňuje na monitorovaný pohybující se objekt a může být jak v podobě proužku, tak i v podobě kotouče. Snímací hlava je fixní (upevněna 19
napevno).
Vysílací cívka je buzena vysokofrekvenčním proudem, který vytváří
časově proměnné magnetické pole ze zesilovače snímané dvěma detekčními cívkami. Vazbu mezi vysílací a detekční cívkou realizuje kovový předmět mezi ně vložený, tedy v případě snímací hlavy vložený k čelní straně snímací hlavy. Kovové prvky jsou zde realizovány detekčním proužkem s měděnými značkami. Díky tomuto principu je snímač necitlivý vzhledem k okolním magnetickým polím a odolný vůči okolnímu magnetickému, elektromagnetickému rušení. Toho je dosaženo tím, že vysílací (primární) i detekční (sekundární) cívka jsou velmi blízko sebe na jednom čipu (cca mikrometry) a tak většina možných elektromagnetických rušení má mnohokrát větší vlnovou délku než je vzdálenost mezi oběma cívkami a stejně tak teplotní vlivy působí na všechny cívky stejně. Dále nosná frekvence budícího signálu je 1 MHz, což znamená, že i případné rušení v řádu do kHz, jsou následně při synchronní demodulaci na sekundární straně odfiltrovány. Zároveň indukční princip zajišťuje odolnost proti znečištění olejem, vodou, prachem nebo různými částicemi. Nevýhodou je nutnost najet na nulovou polohu. [3]
Obr. 3.16 Induktosin
20
3.5 Ultrazvukové snímače Jsou vhodné pro bezdotykové vyhodnocování polohy nebo měření vzdálenosti objektů, které jsou schopny odrážet ultrazvuk. Objekty přitom mohou mít různý tvar, různou drsnost povrchu i barvu.
3.5.1 Konstrukce
Jako zdroj signálu se používá nejčastěji piezoelektrické konstrukce. U některých krystalů vzniká velmi intenzivní úkaz, který nazýváme piezoelektrickým jevem. Podrobíme-li destičku vyříznutou z krystalu křemene nebo piezokeramiky tahu nebo tlaku, destička i molekuly krystalu se deformují a tím se změní poloha nábojů. Tak vzniknou stejně velké opačné povrchové náboje na protilehlých plochách destičky. Postříbříme-li je, můžeme mezi nimi zjistit piezoelektrické napětí. Stejně intenzivně jako tento přímý piezoelektrický jev projevuje se i obrácený piezoelektrický jev: Vložíme-li na elektrody potenciálový rozdíl, deformuje se destička tak, že se její rozměry změní úměrně potenciálovému rozdílu. Výhodou je jednoduchá konstrukce a malé rozměry. Jako přijímač odraženého signálu se používají také piezoelektrické snímače. Je možno vysílač i přijímač sloučit v jeden celek, tomuto celku se říká ultrazvukový měnič nebo také ultrazvuková sonda, která zajišťuje oboustranný převod ultrazvukového signálu na elektrický. Měniče se liší podle šířky frekvenčního pásma, které zpracovávají na úzkopásmové (selektivní) nebo širokopásmové. Úzkopásmové měniče nejsou tlumeny a jsou nastaveny do rezonance. Aby se zlepšila akustická vazba s prostředím a dosáhlo se požadované směrové charakteristiky, používají se tvarované nástavce. Širokopásmové měniče jsou používány především v impulsovém režimu u snímačů ultrazvukových signálů v širokém pásmu (např. 100 kHz až 2 MHz). Aby se dosáhlo širokopásmovosti měniče, používá se řada konstrukčních řešení, jako jsou šikmé řezy, tvarované piezoelektrické členy a podobně. Často se používá zatlumení piezoelektrického rezonátoru. Signál projde přes ochrannou desku na piezoelektrický člen, na němž je tlumič. Tlumič je většinou 21
vyroben z pryskyřice, která je naplněna kovovým práškem. Důležitým parametrem je vyzařovací charakteristika. Ke konstrukci elektroakustických měničů lze také využít kapacitního nebo elektrodynamického principu. Tyto konstrukce však nelze realizovat v miniaturních provedeních a to z důvodu citlivosti a odolnosti vůči parazitním vlivům. Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulsů, které se šíří daným prostředím rychlostí zvuku. Narazí-li tyto impulsy na nějaký předmět, část vlnění se odrazí, a dojde po době t1 k návratu zpět do snímače. Odezva je pak detekována stejným měničem (snímačem) a vyhodnocovací elektronika může z doby zpoždění (t1 - t0) spočítat vzdálenost předmětu. Nevýhoda tohoto systému s jedním měničem je, že po vyslání impulsu až k možnému přijmu odezvy, musí senzor nečinně čekat (mrtvý čas) než měnič dokmitává (doznění). Až poté může být odezva zjištěna. Následkem tohoto mrtvého času mají ultrazvukové měniče nefunkční pásmo, nazývané mrtvá nebo slepá zóna, v němž nemůže být žádná odezva detekována.
3.6 Kamerové snímače Kamerové systémy mohou být buď jednoduché jednoúčelové často v podobě jedné "krabičky", nebo univerzální a výkonné s několika oddělenými kamerami a s různými implementovanými vyhodnocovacími algoritmy. Výrobky lze třídit podle jejich barvy, tvaru, na výrobku vytištěném textu nebo třeba data a času spotřeby. Současné systémy se již plně obejdou bez použití PC. Vše je již implantováno v malé řídící jednotce. [4]
Konstrukce
Kompaktní kamerové systémy se vyznačují tím, že v jednom pouzdře obsahují integrované všechny potřebné komponenty jako je optika a osvětlení z bílých LED, miniaturní CMOS kamera (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), elektronika pro zpracování a porovnání obrazů, paměť pro referenční naučené obrazy, 22
vyhodnocovací elektronika s digitálními a spínanými výstupy. Systém je tak plně samostatný že ke své funkci již nepotřebuje žádné další zařízení. [4]
Princip
Při své běžné práci si nasnímaný obraz CMOS kamerou porovnávají s uloženými správnými předlohami podle určitých dominantních znaků. Pokud se uvedené znaky obrazu shodují nebo jsou si do určitého zadaného stupně blízké, vyhodnotí se kontrolovaný objekt (produkt, materiál, věc) jako správný nebo špatný a výsledkem je nebo není signál pro regulaci (např. vyřazení objektu z linky, přesunutí na jiný pás). Po namontování senzoru se musí provést jeho naučení, které probíhá systémem postupného předkládání správných vyráběných produktů. Tyto snímače fungují na vzdálenost od několika milimetrů až po desítky centimetrů. Napájení je možné v rozsahu 10 až 30 V, což umožňuje napojení na 12 V nebo 24 V zdroje. Také je možné napájení 5 V z USB konektoru, který funguje zároveň jako komunikační rozhraní. [4]
Obr. 3.17 Kompaktní kamerový systém
3.7 Fluidikové snímače Fluidikové snímače převádí měřenou neelektrickou veličinu a změnu parametrů tekutiny nebo plynů. Tyto snímače ke své činnosti využívají aerohydrodynamických principů. Fluidikové snímače ve většině případů neobsahují pohyblivé mechanické části a jsou tedy vhodné pro velmi těžké pracovní podmínky, jako jsou například vysoké 23
teploty, vibrace, silná elektromagnetická pole, výbušná prostředí a podobně. Tyto snímače doplňují ostatní snímače jako například elektrické, mechanické. Fluidikové snímače lze rozdělit do několika základních skupin a to na pasivní a aktivní, dále pak na proudové a odporové. [1]
3.7.1 Odporové
Jejich konstrukce je patrna z obrázku 2.18, kde 1 je část s konstantním odporem, 3 část s proměnným odporem (dýza) a 2 je měřící komora. Plyn proudí přes konstantní odpor do měřící komory a přes proměnný odpor vytéká do vnějšího prostředí. Výstupní tlak je úměrný vzdálenosti od měřeného tělesa 4. Výhodou je velká citlivost umožňující měřit posunutí až 0,1 µm. Díky přetlaku se kterým snímač pracuje, odpadá nebezpečí usazování nečistot a tím se zvyšuje jeho spolehlivost. Mezi nevýhody patří závislost na napájecím tlaku a malý rozsah měření. [1]
Obr. 3.18 Fluidikový snímač odporový
3.7.2 Proudové
Tenký paprsek proudu kapaliny vytváří proudové pole, jehož tvar se mění se změnou polohy měřeného předmětu. Toto pole je snímáno přijímací dýzou (pitotovou trubicí) v jednoduchém nebo vícenásobném uspořádání (obr. 2.19). Tlak v měřící dýze se mění v závislosti na vzdálenosti, úhlovém natočení, posunutí a clonění proudového pole. Pro měření malé úhlové výchylky se používá uspořádání, které je na obr. 2.20, kde jsou měřící dýzy připojeny k měřiči diferenčního tlaku. Další možností je snímač 24
s plošným uspořádáním proudu, u nějž je dosahovaná citlivost 1 µm (obr. 2.21). Do této skupiny patří také reflexní proudové snímače, které se vyznačují větším měřícím rozsahem. Tento rozsah je řádově roven průměru napájecí dýzy (2 mm až 50 mm). Tyto snímače nejsou tak závislé na kolísání vstupního tlaku. Pro měření větších lineárních výchylek se používají snímače s laminárním fluidikovým odporem. Na posuvném pístu je v závitovém tvaru vytvořen kapilární odpor. Hodnota tohoto odporu se mění v závislosti na posunutí pístku ve válci. Snímač s vírovým proudem, který je znázorněn na obrázku 3.22, je založen na deformaci vírového pole. Hlavní částí je vírová komora, do které se přivádí otvorem 1 tekutina v tangenciálním. Komora je na jednu stranu otevřená v osovém směru a na druhou stranu je výstup tlakového signálu. Tekutina proudící do komory vytvoří vír, jehož působením se dostane do vířivého pohybu i tekutina na otevřené straně komory. Tlak v ose víru je závislí na zpětném proudění, které se mění v závislosti na vzdálenosti měřené části. Tyto snímače jsou vhodné pro měření větších hodnot posunutí. [1]
Obr. 3.19 Fluidikový snímač proudový
Obr. 3.20 Fluidikový snímač proudový pro měření úhlové výchylky
Obr. 3.21 Fluidikový snímač proudový
Obr. 3.22 Fluidikový snímač
s plošným uspořádáním proudu
proudový s vírovým proudem
25
3.8 Optické snímače Optické snímače jsou jedny z nejpoužívanějších snímačů pro zjišťování objektů. Jejich velkou výhodou je velký snímací rozsah, který může přesahovat i 50m, a možnost detekovat většinu nelesklých materiálů. Jedná se o konkurenci ultrazvukových snímačů. Oproti nim můžou tyto snímače pracovat i ve vakuu. Jsou i více rozšířené díky dříve zvládnutému vývoji LED a fotodiod proti ultrazvukovému piezorezonátoru. Jejich použití je velice široké od dopravníků přes montážní linky až po kontrolu velikosti předmětů. Díky vysoké citlivosti těchto snímačů a možnosti realizace v malých rozměrech jsou tyto snímače velmi výhodné. Pro snímače polohy se používají prakticky všechny typy snímačů světelného a infračerveného záření. Optické snímače lze rozdělit do několika skupin podle jejich principu: •
Difuzní - detekce blízkého neprůhledného, ale i průsvitného objektu téměř libovolného nelesklého materiálu
•
Reflexní - detekce i vzdálených a velmi malých neprůhledných a nelesklých pevných předmětů
•
Jednocestné - detekce na krátké i velké vzdálenosti i pro průsvitné a hůře průhledné (nečiré) produkty
•
Optovláknové - detekce velmi malinkých objektů nebo větších předmětů ve stísněných podmínkách
•
Kontrastní - blízká detekce různého obrazce, značky či plochy světlejší či tmavší než podložka (pozadí)
•
Luminiscenční - detekce schopnosti luminiscence ozářeného objektu
•
Snímače barvy - detekce barevné plochy na ploše nebo na pozadí jiné barvy na malé až střední vzdálenosti Princip spočívá na detekci existence nebo měření intenzity paprsku světla
dopadajícího na snímací část senzoru. Zdroj paprsku a senzor jsou umístěny v jednom pouzdře. Měří se množství odraženého světla. Konkrétně se jedná o měření úrovně amplitudy nebo světelného výkonu, který se porovnává s nastavenou, požadovanou hodnotou. Díky tomu je možné měřit i jiné optické parametry než jen vzdálenost. Může to být například kontrast nebo barva.
26
Obr. 3.23 Princip optického snímače
Jako zdroj světla se pro menší vzdálenosti do jednotek metrů používají LED diody vyzařující ve viditelném spektru světla a pro větší vzdálenosti až několika desítek metrů se využívají laserové diody nejčastěji červené barvy. Jako přijímače se používají fototranzistory a pro výkonnější snímače rychlejší PIN fotodiody.
3.8.1 Popis základních součástí
Jak již bylo řečeno základní součástí každého optického snímače, je zdroj světla (LED dioda) a přijímač (fotodioda).
3.8.1.1 Zdroj světla
LED dioda je elektronická polovodičová součástka obsahující přechod P-N. Dojde li k průchodu elektrického proudu v propustném směru, přechod díky elektroluminiscenci vyzáří nekoherentní světlo s úzkým spektrem. Pásmo záření je závislé na chemické složení polovodiče. Pásmo vyzařování může být od ultrafialového, přes viditelné spektrum, až po infračervené pásmo.
27
3.8.2 Přijímač světla
Fotodiody pracují na principu vnitřního fotoelektrického jevu. Fotony (světlo), které dopadají na P-N přechod naráží do elektronů ve valenční sféře atomu a tím jim předávají svoji energii. Elektron tuto energii absorbuje, čímž získá dostatek energie k uvolnění se z valenčního pásu a přeskočí do vodivostního pásu. Tímto vznikne volný elektron, který opustí svůj atom a pohybuje se prostorem krystalové mřížky. Tyto volné elektrony jsou nosiče náboje, které zvyšují vodivost polovodiče.
3.8.3 Reflexní snímače
Tyto snímače se svým použitím nejvíce podobají ultrazvukovým snímačům. Běžný dosah těchto snímačů je 0,5 m. Díky použití infra LED se může dosah zvýšit až na 2 m. Lze je rozdělit na: • Senzory s potlačeným pozadím – detekuje se odraz světla od objektu v rámci definované vzdálenosti snímání. Objekty, které leží mimo definovanou hodnotu, jsou odcloněny. • Senzory s potlačeným popředím – detekuje se odraz od pozadí za detekovaným objektem. • Energetické – rovněž detekuje odraz světla od objektu ale bod sepnutí je nastavitelný pomocí změny citlivosti.
Důležitá je také použitá optika. U difůzních se používají kolimační čočky, aby se vrátilo co nejvíce světla a tím se zvýšila snímací vzdálenost, na druhou stranu se zvýší citlivost na úhel naklonění. Divergenční nemají kolimační čočky, čímž se sice zkrátí spínací vzdálenost, ale sníží se citlivost na odklon či pootočení proti kolmému postavení proti snímanému objektu. U konvergentních se používají čočky pro zaostření světla do ohniska, čímž je umožněno snímání velmi malých objektů s velmi špatnou reflexí. Další možností je reflexní závora, která pracuje na principu přerušení paprsku odraženého odrazkou. Díky tomuto uspořádání lze detekovat předměty na velké 28
vzdálenosti. Při použití laserové diody až na vzdálenost 50 m. Kvůli zamezení zpětného odražení paprsku od lesklých předmětů se snímač umisťuje pod úhlem 10°. Odrazka musí mít správný tvar a velikost, která odpovídá velikosti detekovaného předmětu.
3.8.4 Jednocestné optické závory
Tyto snímače se vyznačují především extrémním dosahem snímání oproti jiným optickým snímačům, který dosahuje až 300 m. Na této vzdálenosti je průměr paprsku světla cca 4,5 m. Dále nízkým vlivem okolního rušení a odstraněním vlivu odrazivosti detekovaného předmětu. Jsou však dražší a náročnější na instalaci. Vyžaduje 2x napájení, 2x kabel a je náročný na seřízení, což je důvodem jeho vyšší ceny oproti reflexním senzorům. U tohoto senzoru je vysílač světla oddělen od přijímače, což je hlavní rozdíl od reflexních senzorů. Paprsek tu prochází trasu jen jedním směrem a to je důvod velkého dosahu.
Obr. 3.24Jednocestná optická závora
3.8.5 Optovláknové snímače
Jedná se o optické snímače vybavené optickými vlákny určené na speciální použití. Nejvíce se používají ve stísněných prostorách, nebezpečných podmínkách nebo pro detekování velmi malých předmětů či plošek jako jsou například vývody integrovaných obvodů.
29
Obr. 3.25 Příklad použití optovláknového snímače
V některých specifických případech, kdy není možné umístit snímač ve vyhovující vzdálenosti od detekovaného předmětu nebo se jedná o nebezpečná prostředí jako například výbušná, radioaktivní, toxická či jiná prostředí kde není možné umístit elektroniku z důvodu vysokých teplot, vlhkosti, elektromagnetického pole se používají optovláknové snímače. Tyto snímače mají místo klasických vstupů, výstupů a čoček přímo v pouzdře napojená optická vlákna. Optická vlákna mohou mít délku i několik metrů. Neplní však funkci snímací, ale fungují jako dopravní vedení pro světlo. V oblasti detekování pak postačí mezírka o velikosti několika mm.
3.8.6 Kontrastní snímače
Tyto snímače se používají v tiskařském a potravinářském průmyslu pro kontrolu etiketových a tiskových strojů. Jsou totiž schopny na čistém nebo lehce znečištěném papíře detekovat značku nebo potisk. Dokážou rozlišit různé kontrasty světla a to například rozlišit až 30 odstínů šedi. Fungují na energetickém principu. Vyšle se jeden nebo více po sobě jdoucích paprsků světla a snímá se jejich odraz od detekované plochy. Překročí li intenzita sejmutého světla určitou hranici, dojde k vyhodnocení a signalizaci přítomnosti určité značky. Důležitý je kontrastní rozdíl mezi značkou a podkladem. Podklady mohou být z různých materiálů. U lesklých jako je například kov nebo umělá hmota je třeba senzor umístit šikmo k snímanému objektu.
30
Obr. 3.26 Princip kontrastního snímače
Snímač má také takzvaný režim učení, pomocí kterého se nastaví. Obvykle se provádí nastavení předkládáním ploch nebo značek, které má snímač rozpoznat a které ne.
3.8.7 Luminiscenční snímače
Tyto snímače se vyznačují schopností snímat přítomnost materiálů pod vrstvou jiných materiálů, jako například přítomnost lepidla pod etiketou. Využívají luminiscence objektu ozářeného UV zářením. Fungují na stejném principu jako ostatní optické snímače, kdy je vyslané světlo odraženo od objektu a přijato optickým snímačem. Jediným rozdílem je povaha přeměny vysílaného světla na světlo detekované. Některé látky, jako například guma nebo lepidlo, totiž po ozáření UV světlem vyzařují světlo viditelné. Zdroj ultrafialového světla bývá obvykle polovodičový, často jako UV LED dioda a pro větší vzdálenosti UV laser. UV záření odpovídá vlnové délce 100 až 380 nm. UV LED diody používané v luminiscenčních snímačích emitují záření a vlnové délce 360 až 380 nm. Jako snímač odraženého záření se používají fotodiody nebo fototranzistory. Snímací vzdálenost se u těchto snímačů pohybuje od 0 do 200 mm. Některé snímače obsahují i optiku pro přesné směřování paprsku a přijímání odraženého světla.
3.8.8 Snímače barvy
Tyto snímače mohou detekovat barvu a tím například třídit výrobky na dopravníku. Jsou schopny detekovat jednu konkrétní barvu v záplavě jiných, anebo tyto barvy od sebe oddělit. 31
Obr. 3.27 Princip snímání barvy
Snímač barvy je nejčastěji realizován integrovanou CMOS součástkou, která kromě fotocitlivých prvků obsahuje také obvody pro předzpracování signálu. Barva se detekuje na principu jejího rozložení na základní složky RGB a následným porovnáním úrovně signálu každé složky s uloženou hodnotou, která byla získána z cyklu učení na konkrétní barvu. Díky tomuto principu je možné každý snímač naučit detekovat libovolnou barvu ze spektra. Používají se dva typy konstrukce čipu. Buď jsou jednotlivé snímací fotodiody s barevnými filtry vedle sebe, což je levnější ale při stejném počtu fotodiod má menší rozlišovací schopnost pro konkrétní barvu a její rozložení na snímané ploše. Další možností je umístění jednotlivých fotodiod detekujících danou barvu nad sebe a tím dojde prakticky ke ztrojnásobení počtu citlivých plošek. Využívá se toho, že světlo různé vlnové délky proniká do křemíku a ostatních materiálů používaných pro výrobu čipů jen do určité hloubky. Lze tak nad sebe umístit fotodiody tak, že příslušná dioda pro určitou barvu bude pouze v oblasti, kam proniká jen určitá vlnová délka světla (viz. Obr. 2.29). Odpadají tak externí barevné filtry, které zde nahrazuje určitá tloušťka vrstvy materiálu nad citlivou oblastí. [4]
32
Obr. 3.28 Porovnání klasické a paralelní struktury snímacího čipu
Obr. 3.29 Náhradní schéma vícevrstvého detektoru
3.8.9 Prosvětlovací snímače
Pomocí těchto snímačů se odměřují přesné souřadnice. Tyto snímače se rozdělují do dvou skupin na snímače absolutní a snímače přírůstkové. Pracují na velmi jednoduchém principu rozdělení úhlové nebo délkové míry na určitý počet stejných dílků. Pomocí snímače se jednotlivé dílky snímají a každému dílku odpovídá jeden impuls. Poloha je dána počtem impulsů z polohy předcházející. Snímání se provádí prosvětlováním nebo odrazově. Princip tohoto měření se nazývá relativní nebo také přírůstkový. Snímač se skládá z prosvětlovacího měřítka a pevné části, na které jsou dvě skupiny značek, které jsou vzájemně posunuté. Paprsek prochází přes posuvné měřítko a pevnou část na fotoelektrické čidlo. Dělení může být až 0,8 µm a při větších odměřovacích vzdálenostech se měřítka skládají. 33
U absolutních snímačů se využívá binárního nebo bratova kódu kde počet stop závisí na měřené délce. Každá stopa se snímá samostatně, avšak výstupní signál z jednotlivých fotoelektrických snímačů je zpracováván společně. Absolutní snímač je spolehlivější, ale jeho celková konstrukce je složitější a dražší než u snímače přírůstkového. [1]
Obr. 3.30Prosvětlovací snímač
Obr. 3.31Prosvětlovací snímač kruhový
3.9 Magnetické snímače Umožňují detekovat objekty i skrz nemagnetické materiály a mají relativně velký dosah při malých rozměrech. Existuje více provedení magnetických snímačů. Jedná se především o tradiční Reedův snímač, snímač s nasycovacím jádrem a snímač využívající Hallova jevu.
3.9.1 Reedův snímač
Jedná se o snímač s jazýčkovým kontaktem, který je vložen ve skleněné baňce naplněné inertním plynem. Kontakty jsou citlivé na vlivy magnetických polí, které mohou být vytvořeny magnety, cívkami nebo procházejícím elektrickým proudem. Sepnutí či rozepnutí kontaktů je způsobeno opačnou magnetickou polaritou, kterou vytváří indukce. Povrch kontaktů je potažen kvalitními materiály jako například zlato, 34
wolfram, rhodium. Díky tomu lze spínat napění v rozsahu 10 až 30 V stejnosměrných nebo 20 až 240 V střídavých. Spínací vzdálenost je ovlivněna používaným magnetem, minimálně však 10 cm. Tyto snímače se vyznačují vysokou spínací frekvencí až stovky Hz a dlouhou životností kontaktů až stovky miliónů operací.
Obr. 3.32 Princip Reedova snímače
3.9.2 Snímač s nasycovaným jádrem
V praxi se tento snímač obvykle nazývá jako megnetoindukční nebo magnetický senzor. Vnitřní zapojení senzoru obsahuje několik za sebe řazených bloků elektrických obvodů.
Obr. 3.33 Řazení bloků uvnitř snímače
Coil - Cívka s jádrem s velkou permeabilitou Evaluation Circuit – Vyhodnocovací obvody Output Circuit – Koncový stupeň
Jádro cívky je z amorfního kovu. Tento materiál vykazuje velmi vysokou permeabilitu, nízké hysterezní ztráty a ztráty vířivými proudy. Cívka buzena střídavým proudem konstantní amplitudy, který vyvolá rozkmit intenzity magnetického pole okolo pracovního bodu, působením vnějšího magnetického pole dojde k posuvu bodu na magnetizační křivce. Důsledkem je snížení permeability a tím i indukčnosti cívky. Mírou intenzity magnetického pole je pak měřený úbytek napětí na cívce nebo, jako 35
změna kmitočtu a amplitudy signálu generovaného oscilátorem, kterého je cívka snímače součástí.
3.9.3 Hallova sonda
Hallův jev spočívá v tom, že příčné magnetické pole působí na polovodič, jímž prochází elektrický proud. Tím se v polovodiči indukuje Hallovo napětí, které se mění se změnou indukce. Je důležité udržovat konstantní proud snímačem, aby se změna Hallova napětí rovnala pouze změně indukce magnetického pole. Výstupní napětí je malé (v řádu 30 mikrovoltů), je nutné jej připojit na vstupy diferenčního nízkošumového zesilovače s velkým vstupním odporem. Princip těchto snímačů je založen na detekci změny polarity magnetického pole permanentního magnetu snímaného Hallovým snímačem. Snímač může být použit pro měření úhlové výchylky ale také pro lineární posunutí v rozsahu 0 až několik desítek metrů. U lineárního provedení se využívá dlouhý speciální magnetický pásek, který se umísťuje na rovnou plochu v celé délce pohybujícího se objektu. Na pevnou konstrukci vůči pásku se umístí snímač, který kromě vyhodnocovací elektroniky obsahuje i Hallův snímač. Pásek je vlastně nekonečný permanentní magnet, na kterém se pravidelně střídají oblasti severního a jižního pólu. Díky tomu se jeho pohybem ve snímači generuje střídavý impulsní nebo analogoví elektrický signál.
Obr. 3.34 Lineární magnetický snímač
Pomocí generovaných impulsů je možné měřit relativní pohyb v milimetrech či metrech. Další možností je zjištění rychlosti pohybu z periody střídání impulsů. Přesnost závisí na velikosti plošek s opačnými póly střídajících se na pásce. Pro
36
možnost zjištění směru pohybu bývá snímač dvoukanálový, u kterého jsou obvykle použity dvě Hallovy sondy. Kanály jsou vzájemně posunuty o 90°.
4
Využití snímačů [5] Snímače polohy mají široké uplatnění, od bezpečnostních prvků po provozní účely.
Každý typ snímače má jisté výhody které se dají využít ve specifických prostředích jako je například prostředí s nebezpečím výbuchu, prašná prostředí, …
4.1 Odporové Tyto snímače jsou vhodné především ke snímání úhlů. Díky své jednoduchosti a velkému sortimentu se dají využít u manipulačních zařízení. Jejich hlavní nevýhodou je díky pohyblivé části sběrače opotřebení a vliv vibrací.
4.2 Indukční snímače
Prakticky veškerý mechanický pohyb, lze detekovat a řídit s použitím indukčních snímačů polohy, ať již s analogovým nebo číslicovým výstupem. Proti jiným metodám a senzorům se indukční senzory vyznačují hlavně velkou odolností proti nepříznivým okolním pracovním podmínkám, jako jsou prach, olej, voda, vlhkost, elektromagnetické rušení, teplota. Proto je lze přímo, bez přídavné izolace apod., použít na exponovaných místech vystavených nepříznivým podmínkám například v dopravních prostředcích, výrobních provozech těžkého strojírenství, venkovní provozy apod. Lze je použít například v těchto aplikacích: •
Strojní průmysl - obráběcí stroje, řízení svářecích robotů, dopravníků, detekce posunu, dorazy.
37
•
Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky
•
Textilní stroje
•
Automobilový průmysl - detekce pohybu kol automobilů (ABS, ESP)
•
Bezdotykové koncové spínače na strojích
•
Detekce natočení a otáčení,
•
Měření a detekce přiblížení kovového předmětu, detekce vyosení
•
Detekce pohybu a posuvu – dopravníky, soustruhy
4.3 Kapacitní snímače Mají podobné uplatnění jako ty indukční. •
Typicky pro snímání polohy nekovových materiálů
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, detekce tloušťky materiálu
•
Potravinářský průmysl - míchací stroje, balící stroje, plnící stroje, posuvné dopravníky
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky - nastavení pozice
•
Textilní stroje
•
Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
•
Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky
•
Detekce malých kovových plošek (lepší citlivost než indukční senzory)
4.4 Ultrazvukové snímače Ultrazvukové snímače mohou pracovat v kapalinách i plynech. Jejich rozsah je omezen dosahem ultrazvukových vln v pracovním médiu. 38
Přesnost měření závisí na tvaru a kvalitě měřeného tělesa, od kterého se signál odráží. V úvahu je také třeba brát kolísání teplot, tlaku ale také vlhkosti. Všeobecně lepší podmínky jsou v kapalinách. Zde jsou tyto snímače využívány především v lodních aplikacích.
•
Snímání a detekci polohy libovolných materiálů
•
Detekce průhledných předmětů
•
Nasazení v prašném nebo vlhkém prostředí
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu
•
Dřevoobráběcí stroje
•
Montážní linky - nastavení pozice
•
Textilní stroje
•
Sledování a detekce úrovně hladiny materiálu (sypké, kapalné, pevné) např. v zásobníku
•
Detekce pohybu a posuvu, přesné nastavení pozice - dopravníky
4.5 Optické snímače •
Dnes již pro snímání a detekci polohy téměř libovolných materiálů (pro průhledné materiály jsou obvykle speciálně určené senzory)
•
Detekce na vzdálenosti až desítek metrů
•
Snímání pohybujících se předmětů i různých teplot
•
Strojní průmysl - dopravníky, detekce posunu, kontrola kvality
•
Montážní linky - nastavení pozice, počítání dílů
•
Textilní stroje - zjišťování množství materiálu na odvíjené roli
•
Potravinářský průmysl - např. zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince, kontrola obsahu krabic, kontrola velikosti cukrářských výrobků
•
Sledování a detekce otvorů ve výrobcích
•
Kontrola velikosti předmětů
•
Kontrola naplnění různých zásobníků
•
Zjišťování chybných etiket 39
4.6 Magnetické snímače
•
Identifikace objektu skrz nádobu z umělé hmoty
•
Identifikace objektu v agresivním prostředí přes teflonovou stěnu
•
Identifikace objektu v oblasti vysokých teplot
•
Rozpoznání daného magnetu prostřednictvím kódování
•
V elektromechanických, jeřábových, manipulačních systémech
•
Měření otáček, detekce natočení a otáčení (velmi rychle reagovat na změnu stavu)
•
Měření limitů, hladin, polohy apod.
•
Indikaci polohy v oblasti vysokých teplot - magnetické pole je možné přenášet magnetickými vodiči a vlastní indikaci provádět ze vzdálených míst.
•
Snímaní poloh pneumatických a hydraulických válců
4.7 luminiscenční snímače
V praxi se vyskytují některé i poměrně běžné látky, jako jsou guma nebo lepidlo, které po ozáření UV světlem vracejí (vyzařují zpět) světlo viditelné. Toho se často využívá při inspekčních mechanismech. Typickým příkladem luminiscenčních senzorů je zjišťování přítomnosti kolků na krabičkách cigaret a na alkoholu. Zachycení zpětné radiace lepidla pod kolkem je nejspolehlivější způsob jak zjistit jeho přítomnost při rychlém projíždění na dopravníku. •
Detekce lepidla
•
Detekce dřeva
•
Detekce přítomnosti gumy a pryže
•
Papírenský průmysl
•
Potravinářské provozy
•
Balicí linky
40
4.8 Kamerové snímače S rychlým vývojem CMOS obrazových čipů, procesorů a hlavně algoritmů pro zpracování obrazu je možné dnes již vyrábět kamerové senzory pro kontrolu, detekci a třídění výrobků.
5
•
Kontrola nalepení správné etikety na správný výrobek
•
Kontrola zavřené láhve
•
Hlídání data spotřeby na výrobcích
•
Kontrola etiket a označení na výrobcích
•
Zjištění kompletnosti výrobku
•
Změna směru dopravy výrobků dle etiket, barvy, tvaru nebo textu
PŘENOS DAT ZE SNÍMAČŮ Data, která získáme ze snímačů, musíme nějakým způsobem přenést. Je mnoho
možností přenosu dat od vedení pomocí kabelů až po bezdrátový přenos. V dnešní době je většina snímačů řešena jako kompaktní jednotka a již obsahuje pomocné obvody pro zpracování signálu, jako jsou zesilovače, galvanické oddělovače a další prvky.
5.1 Kabely Tento způsob se využívá v největší míře. Jedná se o klasické svazky vodičů, které jsou většinou stíněné kvůli vlivům okolního prostředí. Je důležité vědět, do jakého prostředí chceme kabely požít a na jaké vzdálenosti se budou data přenášet. Do 100 m postačí průřez vodiče 0,5 mm² a pro větší vzdálenosti 0,75 mm². U přenosu dat pomocí kabelů, lze jedním z párů vést napájení snímače. V tomto případě závisí průřez na velikosti proudu. Na délku kabelu má také vliv typ sběrnice, pomocí které je snímač připojen.
41
5.2 Proudová smyčka K propojení snímače a přijímače stačí jen dva vodiče. Mezi další výhody patří možnost přenosu dat na velké vzdálenosti i v prostředí s elektromagnetickým rušením. Lze snadno detekovat přerušení a to když proud poklesne k 0 mA. Také u tohoto způsobu zapojení se dá provádět napájení pomocí smyčky. Pomocí proudové smyčky se nejčastěji přenáší analogový signál. Přenos je realizován pomocí proudového rozmezí 4 – 20 mA. Dá se přenášet i digitální signál, kdy logická nula je vyjádřena 0 nebo 4 mA a logická 1 má hodnotu 20 mA. Do smyčky se zapojují dva typy komponentů a to aktivní nebo pasivní. Aktivní vkládají do smyčky zdroj napětí, kdežto pasivní vytváří úbytek napětí. Toto zapojení se typicky skládá ze snímače, převodníku napětí (ten převádí napětí na proud v rozmezí 4 – 20 mA), napájecího zdroje (většinou 24V nebo 12V) a přijímače, který převádí proud zpět na napětí. Proudová smyčka je realizována pomocí několik variant. Dvouvodičové, která je popsána výše. Třívodičové, která využívá třetího vodiče k zemnění. Čtyřvodičové kde je jeden pár využíván k přenosu dat a druhý k napájení.
5.3 Optický kabel Tento způsob přenosu má vyšší pořizovací náklady, ale umožňuje přenos dat na větší vzdálenosti. Signál je tu přenášen světelnými impulzy. Přenos dat se děje šířením světla v optickém vlnovodu. Světelný paprsek dopadá na rozhraní dvou prostředí s rozdílnou optickou hustotou a tedy s rozdílným indexem lomu, z části se láme a prostupuje z jednoho prostředí do druhého, a z části se odráží a vrací se zpět do prostředí, ze kterého přichází. Pro každé optické rozhraní existuje mezní úhel odrazu. Pokud světlo dopadá pod tímto (nebo menším úhlem), dochází k takzvanému totálnímu odrazu, kdy se 100% světla odráží a neopouští prostředí, ze kterého přichází.
42
Obr. 5.1 Optické vlákno
Optické vlákno se skládá ze tří základních částí. Jádra, které je nejdůležitějším prvkem. Je určeno pro vlastní přenos dat. Jeho průměr závisí na typu kabelu. Standardní rozměry jsou 9, 50 a 62,5 µm. Další částí je obal jádra, který jádro chrání a zpevňuje. Spolu s jádrem má průměr 125 µm. Poslední částí je primární ochrana, která slouží k prvotní ochraně optického vlákna. Celkový průměr společně s jádrem a obalem je 250 µm. Dále může být vlákno chráněno sekundární ochranou tvořenou z plastických hmot zvyšující průměr na 900 µm. Další vrstvy ochrany slouží především proti mechanickému namáhání a chemickému působení. U optických vláken dochází k určitému útlumu, který způsobují následující vlivy: a) Vlastní absorpce je útlum na molekulách materiálu optického vlákna a závisí na vlnové délce přenášeného světla. Z tohoto důvodu se používají následující vlnové délky, které vykazují nejmenší útlum (850 nm, 1310 nm, 1550 nm). b) Nevlastní absorpce je útlum způsobený nečistotami v optickém vlákně. c) Lineární rozptyl, který způsobuje nepřesné a nerovnoměrné oddělení jádra a obalu. d) Nelineární rozptyl, ke kterému dochází v důsledku změny vlnové délky záření. e) Ztráty ohybu kde každý ohyb působí nepříznivě na šíření světla. f) Ztráty při spojování na konektorech
5.3.1 Typy optických vláken
Mnohavidová vlákna jsou tvořena optickými kabely o průměru 50 a 62,5 µm. Vlnová délka je pro tyto vlákna 850 nm a 1310 nm. U mnohavidových vláken lze jako generátor použít například LED. Generátor světla vytváří světelné impulsy, které tvoří několik paprsků - takzvaných vidů. Tyto paprsky (vidy) se odráží od obalu jádra 43
v různých úhlech. K detektoru však doráží jednotlivé vidy s určitým zpožděním mezi sebou, což se nazývá vidovou disperzí. Tato disperze má za následek zkreslení signálu a týká se zejména mnohavidových vláken se skokovou změnou indexu lomu. Jelikož toto zkreslení s délkou vlákna narůstá, používají se mnohavidová vlákna zhruba na vzdálenost do 2 km.
Jednovidová vlákna jsou tvořena optickými kabely o průměru 9 µm. Pro tyto vlákna je vlnová délka 1310 nm a 1550 nm. Pro generování a detekci světla u jednovidových vláken je zapotřebí kvalitnějších a tedy i dražších zařízení. Jako generátory se používají zejména polovodičové lasery. Signál je tvořen jedním videm, který se šíří podél osy jádra a při ohybu se odráží.
Spojování optických vláken se provádí nejčastěji svářečkou nebo spojkami. Propojují se buď přímo vlákna nebo vlákno a takzvaný pigtail (což je vlákno s konektorem). Svářečka je dražší na pořízení, ale při častém používání je výhodnější.
5.3.2 Media konvertory
Jedná se o zařízení určené k převodu signálu, aniž by se datově změnil. Vstupem je optické vlákno a na výstupu může být metalická kabeláž. Pokud je přenos dat řešen obousměrně po jednom optickém vlákně jedná se o technologii WDM a je nutné použít WDM převodníky. Ty jsou proti sobě v páru a jeden vysílá na vlnové délce 1310 nm a přijímá na 1550 nm a druhý vysílá na 1550 nm a přijímá na 1310 nm.[6]
5.4 Bezdrátový přenos Pro menší objemy dat se používá frekvence 868 MHz. Spotřeba těchto zařízení je nízká a lze je napájet pomocí baterií. Potřebujeme li přenést větší množství dat, použijeme Wi-Fi (Wireless Fidelity) která pracuje na frekvenci 2,4 GHz.
44
5.4.1 Wi-Fi
Wi-Fi využívá rádiového signálu na frekvenci 2,4GHz. Podstatnou výhodou je fakt, že toto pásmo je bezlicencové a tudíž není třeba žádat o povolení a veškeré komunikace je možné provádět zdarma bez jakékoliv registrace. Při zapojování je třeba vše důkladně promyslet, neboť uvnitř budov dochází k velmi silnému útlumu signálu díky betonovým konstrukcím, elektrickým rozvodům. Celková intenzita signálu je dána několika parametry. Největší vliv na kvalitu signálu má anténa.
5.5 Bezpečný výstup V prostorách se zvýšeným nebezpečí, označovaných jako ATEX, je nutné použít bezpečný výstup nazývaný NAMUR výstup. Tento výstup zajišťuje napěťově, proudově a i s ohledem na jiskření bezpečný výstup. Výstup NAMUR je tvořen dvouvodičovým vstupem/výstupem, který je jak napájecí tak signálový. Tohoto výstupu se dá využít například u indukčních snímačů, kde je koncový zesilovací stupeň galvanicky oddělen a umístěn v bezpečném prostředí. Jsou dva typy výstupu NAMUR ato NO (Normally Open) kdy prochází vodiči stabilně proud maximálně 4 mA. Pokud snímač zareaguje, poklesne tento proud na 1mA. Dalším typem je NC (Normally Closed) kdy protéká v klidovém stavu proud ≤1 mA a pokud dojde k reakci snímače, zvedne se tento proud maximálně na hodnotu 4 mA. Napájecí napětí bývá 8 – 8,2 V. NAMUR výstup se typicky využívá v chemickém průmyslu, v prašném uhelném prostředí dolů a elektráren, nebo někdy ve dřevozpracujícím průmyslu v provozech s pilinami, kde hrozí velké nebezpečí výbuchu nebo snadného vznícení i při náhodném přeskočení jiskry. [5]
45
5.6 Sběrnice Základním a nejpoužívanějším typem sběrnice je RS-422 a RS-485. Další velmi známou a hojně používanou je sběrnice CAN. Ta se nejvíce využívá v automobilovém průmyslu.
5.6.1 ISO/OSI
Model ISO/OSI je referenční komunikační model označený zkratkou slovního spojení "International Standards Organization / Open Systen Interconnection" (Mezinárodní organizace pro normalizaci / propojení otevřených systémů). Jedná se o doporučený model definovaný organizací ISO v roce 1983, který rozděluje vzájemnou komunikaci do sedmi souvisejících vrstev. Zmíněné vrstvy jsou též známé pod označením Sada vrstev protokolu. Úkolem každé vrstvy je poskytovat služby následující vyšší vrstvě a nezatěžovat vyšší vrstvu detaily o tom jak je služba ve skutečnosti realizována. Než se data přesunou z jedné vrstvy do druhé, rozdělí se do paketů. V každé vrstvě se pak k paketu přidávají další doplňkové informace (formátování, adresa), které jsou nezbytné pro úspěšný přenos po síti. Uvedený model obsahuje následující vrstvy (každá vyšší vrstva využívá funkce vrstvy nižší.
Obr. 5.2 Vrstvy modelu ISO/OSI
1. Fyzická vrstva Definuje prostředky pro komunikaci s přenosovým médiem a s technickými prostředky rozhraní. Dále definuje fyzické, elektrické, mechanické a funkční parametry týkající se fyzického propojení jednotlivých zařízení. 46
2. Linková vrstva Zajišťuje integritu toku dat z jednoho uzlu sítě na druhý. V rámci této činnosti je prováděna synchronizace bloků dat a řízení jejich toku.
3. Síťová vrstva Definuje protokoly pro směrování dat, jejichž prostřednictvím je zajištěn přenos informací do požadovaného cílového uzlu. V lokální síti vůbec nemusí být, pokud se nepoužívá směrování. Je hardwarová, ale když směrování řeší PC s dvěma síťovými kartami je softwarová.
4. Transportní vrstva Definuje protokoly pro strukturované zprávy a zabezpečuje bezchybnost přenosu (provádí některé chybové kontroly). Řeší například rozdělení souboru na pakety a potvrzování.
5. Relační vrstva Koordinuje komunikace a udržuje relaci tak dlouho, dokud je potřebná. Dále zajišťuje zabezpečovací, přihlašovací a správní funkce.
6. Prezentační vrstva Specifikuje způsob, jakým jsou data formátována, prezentována, transformována a kódována. Řeší například háčky a čárky, CRC, kompresi a dekompresi, šifrování dat.
7. Aplikační vrstva Je to v modelu vrstva nejvyšší. Definuje způsob, jakým komunikují se sítí aplikace, například databázové systémy, elektronická pošta nebo programy pro emulaci terminálů. Používá služby nižších vrstev a díky tomu je izolována od problémů síťových technických prostředků.
5.6.2 RS-422,RS-423 a RS-485
Princip práce sběrnice RS-422 je založen na přenosu dat pomocí dvou vodičů. Na přijímací straně se rozlišuje rozdíl (polarita) napěťových potenciálů mezi těmito 47
vodiči. Pro přenos dat se využívá kroucené dvojice kabelů, díky čemuž se mohou data přenášet poměrně vysokou rychlostí a na větší vzdálenosti. Je to způsobeno menším vlivem rušení, jelikož toto rušení působí současně na oba vodiče, což nijak neovlivní rozdíl potenciálů. Pro rozeznání logických stavů postačuje rozdíl potenciálů dosahující hodnoty pouze 200mV.
Obr. 5.3 Vliv rušení na dva vodiče
Při tomto zapojení lze data přenášet na vzdálenost až 1200 metrů, přičemž přenosová rychlost může dosáhnout 100 kb/s. U kratších vzdáleností cca do 15 m je možné dosáhnout přenosové rychlosti 10 Mb/s. Jsou li komunikující zařízení napájena z odlišných zdrojů, zapojuje se třetí vodič tvořící signálovou nulu. Lze přenášet data z jednoho vysílače do několika přijímačů, maximálně však do 10. Při požadavku na souběžný přenos dat oběma směry mezi dvojicí zařízení se používají dva páry datových vodičů.
Sběrnice RS-423 je velmi podobná sběrnici RS-422. Jediným rozdílem je kódování signálu. Logická hodnota je tu zjištěna na základě rozdílu potenciálu mezi signálovým vodičem a signálovou zemí. Toto řešení vede v některých případech ke snížení počtu vodičů, ale zvyšuje citlivost sběrnice na okolní vlivy. Taktéž je snížena maximální přenosová rychlost.
Pomocí sběrnice RS-485 lze připojit až 32 vysílačů a 32 přijímačů. Všechny vysílače i přijímače se v klidu musejí nacházet ve stavu vysoké impedance, aby nijak neovlivňovali komunikující zařízení. V jednu chvíli může jako vysílač fungovat jen jedno zařízení. I tato sběrnice stejně jako RS-422, používá diferenciálního kódování dat. Jedna polarita znamená logickou jedničku a obrácená polarita logickou nulu. Rozdíl
48
potenciálů musí být minimálně 200 mV. Standardně se však používají větší rozdíly, například 5 V, 7 V nebo 12 V. Přenosová vzdálenost je až 1200 m s rychlostí 10Mbit/s. Nutností je však správné zapojení, což znamená umístění rezistorů na oba konce linky s odporem 120 Ω. Obě linky se také musí v klidu nastavit na nějaké napětí různé od 0 V. Je to důležité kvůli eliminaci vlivu šumu na linkách odpojených od vysílače. Při nutnosti obousměrné komunikace v jednom čase se může použít zapojení se čtyřmi popřípadě pěti vodiči, takzvaný full duplex. U tohoto zapojení je nutné, aby vysílač vystupoval v roli master a přes první kroucenou dvojlinku byl připojen ke všem přijímačům zařízení slave a současně všechny zařízení vysílačů slave přes druhou kroucenou dvojlinku připojeny na přijímač zařízení master.[7]
5.6.3 CAN
Sběrnice CAN neboli Controller Area Network, je protokol multiplexní sériové komunikace, který vznikl v laboratořích firmy BOSCH již v roce 1986. V roce 1993 byl přenesen do mezinárodního standardu ISO 11898. Tato sběrnice je tvořena dvouvodičovým vedením, jehož signálové vodiče jsou označeny CAN_H a CAN_L a zakončovacími rezistory 120 Ω. K této sběrnici se připojují jednotlivé komunikační uzly, které mezi sebou musí mít fyzické spojení. Množství uzlů je v podstatě neomezené, limitující jsou pouze možnosti jednotlivých uzlů a výkonové zatížení sítě. Přenosová rychlost je až 1 Mbit/s, v praxi se však používají rychlosti do 125 kbit/s a nad 256 kbit/s. rozlišuje se tak nízko a vysokorychlostní CANbus. Komunikace mezi uzly je formou předávaných zpráv. Tyto datová zpráva nese informace o adresátu zprávy, datovou informaci a chybovou funkci. Pokud je sběrnice volná, může jakýkoliv uzel vyslat zprávu k jinému adresátu. Je možný i přenos do více uzlů. V případě vyslání zpráv z více uzlů současně, je komunikace zajišťována podle priority uložené v adresní části zpráv. Žádná ze zpráv není ztracena, pouze se počká na volnost sběrnice. Zvláštním druhem je dotazová zpráva spočívající v předání požadavku na příslušný uzel, který v odpovědi předá požadované data. V případě současného odeslání zprávy a požadavku na data má při shodné prioritě přednost zpráva datová. 49
Rozlišujeme čtyři základní bloky dat. Datový blok, který přenáší datové informace. Požadavkový blok, ten předává požadavek na přenos dat. Chybový blok přenášející se při identifikaci chyby na lince. Zpožďovací blok generující zvláštní zpoždění vkládané do předchozích bloků.
5.6.4 DeviceNet
DeviceNet je digitální, vícesběrnicová síť, která primárně slouží jako komunikační síť mezi průmyslovými řídícími systémy (PLC, PAC, Embedded PC) a ostatní I/O zařízení. Síť může být nakonfigurována pro komunikaci stylem MasterSlave nebo jako distribuovaná řídící architektura komunikující přímým stylem peer-topeer. Výhodou je možnost napájení jednotek přímo po sběrnici. Komunikační standard DeviceNet pro svůj účel využívá standard CAN. [8] 5.6.5 M-BUS
Tato sběrnice je určena pro dálkové čtení v oblastech, kde není nutná rychlá odezva v čase. Zajišťuje propojení velkého množství zařízení (několika set) na vzdálenosti až několika kilometrů. Přenos dat je zajištěn proti chybám. Přenos probíhá po dvouvodičové sběrnici, podobně jako RS-485, takže je možné napájet jednotlivá zařízení přímo po sběrnici. Jednotlivá zařízení jsou připojena na jednu společnou linku, což má výhodu v jednoduchém připojování a odpojování komponent bez vlivu na samotnou komunikaci zbylých zařízení. [9] Existuje i bezdrátová verze, která se nazývá Wireless M-Bus. Tato sběrnice má tři režimy označované jako S, T a R představující různé rychlosti přenosu a ty se dále dělí na režimy 1 a 2, které označují jednosměrný či obousměrný přenos. Komunikace probíhá ve 12 kanálech v bezplatném vysílacím pásmu 868 MHz a komunikační dosah je 500 až 600 m. Komunikace má hvězdicovitou strukturu, kdy několik snímačů přenáší svá naměřená data jedné centrální jednotce, obvykle tvořené koncentrátorem.[10]
50
Tab. 5.1 Tabulka režimů komunikace
Přenosová rychlost
Označení jednocestné komunikace
Označení dvoucestné komunikace
4,8 kb/s 32,768 kb/s 100 kb/s
neexistuje S1/S1m T1
R2 S2 T2
5.6.6 Ethernet
Jedná se o lokální síť, která se dnes hojně využívá. Ethernet používá sběrnicovou topologii – tedy sdílené médium, kde všichni slyší všechno, a v každém okamžiku může vysílat jen jeden. Jednotlivé stanice jsou na něm identifikovány svými hardwarovými adresami (MAC adresa). Když stanice obdrží paket s jinou než vlastní adresou, ignoruje jej. Stanice, která potřebuje vysílat, naslouchá co se děje na přenosovém médiu. Pokud je v klidu, začne tato stanice vysílat. Může se stát (v důsledku zpoždění signálu), že dvě stanice začnou vysílat přibližně ve stejný okamžik. Jejich signály se pochopitelně navzájem zkomolí. Tato situace se nazývá kolize a vysílající stanice ji poznají podle toho, že během svého vysílání zároveň zjistí příchod cizího signálu. Stanice, která detekuje kolizi, vyšle krátký signál. Poté se všechny vysílající stanice odmlčí a později se pokusí o nové vysílání. Ke kolizi může dojít jen v době, která uplyne od začátku vysílání do okamžiku, kdy signál vysílaný stanicí obsadí celé médium. Tento interval se nazývá kolizní okénko a musí být kratší, než je doba vysílání nejkratšího rámce. Jednotlivé varianty protokolu se značí např. 10Base5, 100Base-TX a podobně. První číslice určuje maximální přenosovou rychlost v megabitech za sekundu. Následuje označení pásma a určení druhu přenosového média. Jako přenosového média se používalo koaxiálního kabelu. Propojovací kabely se zakončují BNC konektory, mezi ně se vkládají odbočky ke stanicím BNC-T konektory. Ty se připojují přímo na síťovou kartu, nebo adaptérem na AUI port. Délka segmentu je maximálně 185 metrů, ve speciálních případech až 300 - 400 metrů. Dále se v dnešní době využívá kroucené dvojlinky. Topologie sítě se změnila ze sběrnicové na hvězdicovou, v jejímž středu je rozbočovač (hub) a na koncích jednotlivých spojů připojené počítače. Hub kopíruje signál přicházející z jednoho 51
rozhraní do všech ostatních. Data vysílaná jednou stanicí jsou proto rozšířena všem ostatním, stejně jako v případě jejich přenosu po sdílené sběrnici. Kabel s dvojlinkou ale obsahuje celkem čtyři kroucené páry, tedy osm vodičů. Část z nich lze vyčlenit pro přenos dat ve směru k počítači a část pro směr opačný. Signál může tedy kabelem protékat obousměrně, každý z účastníků má své pevně přidělené vodiče, do nichž může vysílat kdykoli. Odpadá sdílení média a s ním i důvody kolizí. Tento režim provozu se nazývá plný duplex (full duplex). Délka jednoho spoje je maximálně 100 metrů. Ethernet používající kroucenou dvojlinku se označuje příponou T nebo TX. Další možností je optické vlákno. Používají se jednovidová i mnohavidová vlákna v závislosti na požadované rychlosti a vzdálenosti. Vybudování optické trasy je dražší, než strukturovaná kabeláž, ale umožňuje přenos na vyšší vzdálenosti. Další výhodou je, že spojení je odolné proti elektromagnetickému rušení a koncové body spoje jsou galvanicky oddělené. Skleněná vlákna jsou zakončena takzvanými media konvertory, které převedou optický signál na elektrický. Pro každý spoj se použijí dvě vlákna, pro každý směr jedno. Lze použít také jen jedno, kdy se využívá dvou vlnových délek pro přenos informací. V praxi se pokládá vždy několik vláken navíc jako rezerva pro rozšíření nebo poruchu. Délka optického spoje bývá od stovek metrů až po mnoho kilometrů. Rychlost přenosu může být od 10 Mbit/s až po gigabitové rychlosti. Optický Ethernet se označuje v příponě písmenem F či FX. [5]
5.6.7 Hart
Jedná se o komunikaci po proudové smyčce prostřednictvím protokolu a standardu HART (Highway Addressable Remote Transducer). Mimo komunikaci dvou zařízení může fungovat i jako sběrnice, pro komunikaci mezi mnoha zařízeními. Funkce, parametry i vlastnosti protokolu HART jsou plně specifikovány 3 vrstvami OSI modelu. Komunikace je typu Master-Slave a přenosová rychlost je fixní 1200 b/s. Propojení je realizováno pomocí měděného dvouvodičového vedení, nejčastěji stíněnou kroucenou dvojlinkou. Smyčka má obsahovat zařazený rezistor s hodnotou odporu 230 až 1100 Ω. K přenosu jednotlivých bitů je využíváno FSK klíčování (Frequency Shift Keying Bell 202). Zatímco logické úrovni 1 odpovídá frekvence sinusového signálu 1.2 kHz, hodnotě log. 0 odpovídá frekvence 2.2 kHz. Tato modulace je odolná proti vnějšímu okolnímu rušení. Výsledkem je možnost komunikace až na vzdálenost 3 000 m. Při 52
vzdálenost větších než 1000 m je však nutné hlídat kapacitu kabelu (měla by být menší než 100 pF/m).
6
ZPRACOVÁNÍ DAT
6.1 PLC jednotky Pro zpracování dat se často používají takzvané PLC řídící jednotky. PLC (Programmable Logic Controler), v češtině označované jako programovatelné automaty, jsou základem automatického měření a regulace. Funkce celého PLC i ovládání připojených prvků je řízeno uloženým programem, který lze snadno vytvořit pomocí výrobcem dodávaného grafického vývojového softwaru pro běžná PC a operační systém Windows. Programování se v tomto softwaru provádí pomocí vkládání již připravených funkcí, reprezentovaných ikonami a jejich propojování tažením myši. Umožňuje mimo programování i průběžnou grafickou simulaci a po připojení PLC k PC pomocí USB či RS-232 kabelu i reálné zkoušení a testování. Pro přenos dat ze snímačů je možné použít drátové i bezdrátové komunikace. PLC se díky svým malým rozměrům hodí pro centrální řízení jednodušších aplikací ale také pro řízení jednotlivých procesů. Lze je použít pro řízení výrobních strojů, balících a plnících strojů, zobrazení informací, zpracování signálu přímo na místě měření. PLC je typicky složeno ze základní řídící jednotky, která obsahuje zdroj, procesor, komunikační rozhraní a několik binárních/logických vstupů a výstupů. K základní řídící jednotce je možno připojit rozšiřující moduly, které mohou obsahovat další vstupy či výstupy, různé komunikační sběrnice atd. Každý PLC systém musí mít vždy alespoň jednu základní řídící/CPU jednotku, která provádí samotné vykonávání uloženého programu, číslicové zpracování signálů a digitální komunikaci s okolím. Tato jednotka je obvykle vybavena tak, aby byla plně soběstačná, to znamená, že v jednodušších aplikacích může pracovat samostatně bez jakýchkoliv dalších přidaných prostředků. Pro tento účel bývá vybavena i několika 53
vstupy a výstupy, obvykle jen logickými/spínanými, umožňující připojení tlačítek či signalizace, zapínání/vypínání zařízení a přivedení několika řídících signálů. [11]
6.2 Univerzální měřiče Jsou jedním z možných a v celku jednoduchých řešení pro potřeby základního měření analogových signálů z různých senzorů a snímačů bez potřeby jakéhokoliv programování, které je nutné například u malých PLC či podobných složitějších systémů. Zde se vše nastavuje pomocí menu postupně zobrazovaného na displeji. Mimo měřících analogových vstupů, které mohou být buď napěťové v mV nebo V rozsazích či proudové v mA, mohou být měřiče vybaveny komparátory se spínanými výstupy (250 VAC/30 VDC, 3 A), analogovými výstupy (0…2/5/10 V, 0…5 mA, 0/4…20 mA) či rozhraním sériové datové komunikace R2-232/RS-485, které mohou pracovat s protokoly ASCII, MESSBUS, MODBUS, nebo PROFIBUS. Ještě může být přítomno galvanicky oddělené a plynule nastavitelné pomocné napětí 5 až 24 V, které je vhodné pro napájení různých snímačů a převodníků. Umožňují i záznam naměřených hodnot dle nastaveného interního časování vzorkování. Přitom lze použít režimy FAST (rychlý), který slouží k rychlému ukládání všech naměřených hodnot rychlostí 80 zápisů/s a až do 8 000 záznamů, a RTC, kde je záznam dat řízený reálným časem, to je ukládáním ve zvoleném časovém úseku a periodě. Do paměti přístroje je možné uložit až 250 000 hodnot. [5]
54
7
MĚŘENÍ SNÍMAČŮ Cílem mého měření je porovnání dvou snímačů z hlediska jejich základních
vlastností. Budu porovnávat zejména jejich přesnost a odolnost vůči okolním vlivům. K porovnání jsem použil optický enkodér a magnetický enkodér využívající hallova jevu. Oba tyto snímače jsou uzpůsobeny pro měření úhlových výchylek. Pro změnu úhlu natočení s dostatečně malým krokem jsem použil takzvanou děličku z univerzální frézy.
7.1 Magnetický enkodér AS 5040 Jedná se o 10 bitový programovatelný magnetický rotační enkodér od společnosti Austria Microsystems s rozsahem 360°. Tento snímač nejen že snímá úhel natočení magnetického pole ale i sílu jeho intenzity. AS 5040 kombinuje na jednom čipu integrované Hallovy sondy, analogové rozhraní a digitální zpracování signálu. Pro změnu úhlu je zapotřebí dvoupólový magnet, který musí být umístěn nad nebo pod středem čipu. Absolutní měření úhlu je v rozlišení 0,35° = 1024 poloh na otáčku. Tyto data jsou dostupná jako 10 bitový sériový údaj nebo jako PWM signál. Další možností je programovatelný inkrementální výstup, který umožňuje nahradit tímto čipem různé optické enkodéry. Vnitřní regulátor umožňuje práci v systémech s napájením jak 3.3 V, tak i 5 V.
Obr. 7.1 Magnetický enkodér AS 5040
55
7.1.1 Popis funkce
AS 5040 je vyráběn jako standardní CMOS obvod a používán ke snímání otáčení magnetu pomocí hallovy sondy na povrchu čipu. Integrovaný Hallův senzor je umístěn ve středu součástky a podává napěťovou informaci o magnetickém poli na povrchu čipu. Díky Sigma-Delta Analog/Digital převodníku a DSP algoritmu podává přesnou informaci o absolutní pozici úhlu ve vysokém rozlišení. Pro tento účel spočítá souřadnicový digitální počítač (CORDIC) velikost úhlu z hallových signálů. DSP se používá také k poskytování informací na digitální výstupy Mag INCn a MagDECn, které naznačují pohyb magnetu k nebo od povrchu zařízení. Malé, levné magnety, příčně zmagnetované, poskytují informaci o úhlové poloze, jak je vidět na obr. 6.2.
Obr. 7.2 Magnetické pole permanentního magnetu
Snímač určí orientaci magnetického pole a vypočítá 10 bitový kód, který může být přístupný pomocí sériového SSI rozhraní. Kromě toho je absolutní údaj o úhlu posílán prostřednictvím PWM signálu na pin 12. Mimo absolutní úhlovou informaci poskytuje snímač inkrementální výstupní signál. Různé dílčí výstupní režim mohou být vybrány pomocí programování OTP bitů. Pokud není na programovacím pinu napětí lze nové nastavení přepsat kdykoliv. 56
Výchozí nastavení se obnoví při vypnutí napájení. Pro trvalou změnu nastavení se musí naprogramovat OTP registry.
Obr. 7.3 Blokové schéma AS 5040
7.1.2 Absolutní informace o úhlu natočení
AS5040 může poskytovat desetibitový absolutní údaj o úhlu natočení po sériovém rozhraní SSI. V tomto módu posílá 16 bitů, z čehož 10 udává absolutní úhel natočení. Následují tři stavové bity, OCF (Offset Compensation Finished)-tento bit označuje připravenost obvodu k měření, COF (Cordic Overflow)- pokud je tento bit nastaven jsou data o úhlu neplatná z důvodu chyby v části CORDIC a udržují se poslední platné hodnoty, LIN (Linearita Alarm)-tento bit značí silné vstupní pole, které vytváří kritickou výstupní linearitu, data mohou být nadále používáná, ale mohou obsahovat neplatné hodnoty. Pak následují dva bity, udávající zda se magnetické pole nemění, MagINCn-označuje zvětšování magnetického pole (přiblížení magnetu), MagDECn-značí zmenšování magnetického pole (oddálení magnetu). Pokud mají oba bity vysokou hodnotu, je magnetické pole mimo povolený rozsah. Zpráva končí paritou. V tomto módu je možno zřetězit více AS5040 (daisy chain) a pak tyto informace předává jedno zařízení po druhém.
57
Obr. 7.4 SSI výstup s absolutní informací o úhlu natočení
7.1.3 Inkrementální výstup
V tomto módu poskytuje AS5040 buď Quad A/B výstup (dva fázově posunuté signály, jejichž změny oznamují pohyb a fázový posun směr pohybu) nebo Step / Direction, kdy jeden výstup oznamuje pohyb a druhý směr pohybu. K těmto výstupům se přidává výstup Index, který oznamuje "nulové" natočení magnetického pole.
Obr. 7.5 Inkrementální výstup
7.1.4 PWM výstup
AS 5040 může informaci o natočení magnetického pole poskytovat i formou PWM výstupu, při kterém je úhel natočení definován poměrem mezi dobou trvání jedničkového a dobou trvání nulového impulsu. Frekvence výstupu PWM je zhruba 1kHz. 58
Obr. 7.6 PWM výstup
Analogový výstup může být generován průměrování signálu PWM pomocí externího aktivního nebo pasivního Low-Pass filtru. Analogové výstupní napětí je úměrné úhlu: 0° = 0V; 360° = VDD5V. Pomocí této metody může být AS 5040 použit jako přímé nahrazení potenciometru.
7.2 Optický enkodér ENC1J Jedná se o optický rotační snímač, který vytváří dvoubitový signál. Tento signál je použitelný pro digitální systémy.
Obr. 7.7 Výstupní napětí
Tento inkrementální enkodér generuje dva obdélníkové průběhy, vzájemně posunuté o 90 stupňů, které se nazývají kanál A a kanál B (viz obr. 7.7). Zpracováním samotného kanálu A lze získat informaci o rychlosti otáčení, pomocí druhého kanálu je možné podle sekvence stavů generovaných oběma kanály rozeznat i směr otáčení. K dispozici je ještě další signál, nazývaný Z nebo také nulový kanál, který udává referenční (nulovou) polohu hřídele enkodéru.
59
Pro převod z uvedených signálů na jednoduše pochopitelné číslo se používá čítač s možností čítání nahoru a dolů.
7.2.1 Čítač HCTL 2020
Jedná se o kvadraturní dekodér, který dekóduje příchozí filtrované signály do binární informace. Obvod HCTL 2020 je 16-ti bitový s 8 výstupy a přepínacím vstupe pro volbu spodních nebo horních 8 bitů. Po přepnutí na horních 8 bitů je nutné resetovat obvod.
7.3 Schéma zapojení snímačů Aby bylo možné porovnat oba snímače, je nutné získat údaj o poloze ve stejném formátu. V mém případě se jedná o binární kód. Tato data však nejsou přímo dostupná z optického snímače a tudíž je nutné jej zapojit do pomocného obvodu, pomocí kterého tyto data získám. Abych eliminoval chybu na čítači pulsů, použil jsem stejný u obou snímačů.
Obr. 7.8 Deska čítače
60
7.3.1 Optický snímač a jeho zapojení
Pro zapojení tohoto snímače je nutné použít několik pomocných obvodů. Jedná se především o čítač pulsů HCTL 2020, zdroj hodinového signálu, stabilizátor napětí. Pro zobrazení kódu jsem požil LED diody. Jak snímač, tak ostatní obvody jsou napájeny napětím 5 V.
Obr. 7.9 Zapojení optického enkodéru
7.3.2 Magnetický snímač a jeho zapojení
Tento snímač je velice kompaktní a tudíž k němu není třeba připojovat mnoho pomocných obvodů. Pro zjištění hodnoty natočení je možné využít několika typů výstupního signálu. Pro snadné porovnání s optickým snímačem jsem použil inkrementální výstupy A a B na kterých je shodný typ signálu jako na optickém enkodéru. A pro získání binární hodnoty jsem opět použil stejný přípravek jako u optického snímače.
61
Obr. 7.10 Zapojení magnetického enkodéru
Obr. 7.11 Detail magnetického enkodéru
7.4 Výsledky měření 7.4.1 Optický enkodér
Po zapojení celé sestavy jsem jako první změřil optický enkodér. Dle mých předpokladů by měl být přesnější. Rozlišení snímače je 1024 bitů, tudíž jsem měřil po 1° a v celém rozsahu, což je 360°. Měření jsem provedl v 8 opakováních kvůli eliminaci
62
chyb. Hodnoty jsem zapisoval v binárním kódu do tabulky a pak je převáděl na dekadická čísla. Vzhledem k velkému množství dat uvádím pouze část výsledků. Jedná se o tabulku obsahující již bitovou hodnotu pootočení. Celá tabulka je na CD přiloženém k diplomové práci. Tab. 7.1 Část tabulky naměřených hodnot optického enkodéru.
Úhel Číslo měření 1 2 3 4 5 6 7 8
41°
42°
43°
44°
117 116 116 116 117 116 117 116
120 120 120 120 120 120 120 120
122 122 122 122 122 122 122 122
126 125 125 125 126 125 126 125
Průměr
116,375
120
122
125,375
Směrod. odchyl.
0,484122918
0
0
0,484122918
Z grafu 7.1 vyplívá, že změna dat byla lineární, a tudíž je možné velice přesné doměřování i malých výchylek v jakékoliv poloze. Je to dáno především konstrukcí snímače. Rozdíly mezi jednotlivými měřeními jsou minimální. Při pootočení o jeden stupeň se hodnota zvedla v průměru o 2,8 bitu. Což znamená, že je s tímto snímačem možné měřit s přesností na 20´. Avšak při takto jemném měření se zvyšuje pravděpodobnost chyby měření.
Graf 7.1 Graf průměrných hodnot optického enkodéru
63
7.4.2 Magnetický enkodér
Následně jsem zapojil magnetický enkodér. Sestavení úlohy s tímto snímačem bylo značně obtížné. Hlavním důvodem byla konstrukce snímače. Nepodařilo se mi jej sehnat v kompaktním pouzdru jako optický enkodér. Použil jsem tedy vzorovou desku přímo od výrobce. Tento snímač je velice citlivý na vystředění permanentního magnetu nad čipem. Bylo velmi pracné nastavit magnet do polohy, ve které bude po celou otáčku v daném rozsahu. Záviselo to na nalepení magnetu do středu mosazné tyče, která byla upnuta do děličky, a přesném vystředění vlastního snímače. I toto měření jsem prováděl po 1° v celém rozsahu snímače, což je 360°. Měření bylo opakováno osmkrát a hodnoty byly zapisovány do tabulky v binární podobě. Rozlišení tohoto snímače je také 1024 bitů.
Tab. 7.2 Část tabulky naměřených hodnot magnetického enkodéru
Úhel
41°
42°
43°
44°
105 105 107 106 105 106 105 105
107 107 108 109 107 109 107 107
111 109 110 112 111 112 109 109
112 112 113 114 112 114 112 112
Průměr
105,5
107,625
110,375
112,625
Směrod. odchyl.
0,707106781
0,856956825
1,218349293
0,856956825
Číslo měření 1 2 3 4 5 6 7 8
Z grafu 7.2 je patrné, že průběh není úplně lineární. Bylo to způsobeno zejména nepřesným sestavením celého snímače. Linearita snímání je přímo závislá na nastavení vzájemné polohy magnetu a snímače. Výrobce udává linearitu měření do vzájemného posunutí středu magnetu a středu snímače o ±0,235 mm. Velikost tohoto posunutí je závislá na velikosti magnetu a tím pádem i na síle magnetického pole.
64
Graf 7.2 Graf průměrných hodnot magnetického enkodéru
Graf 7.3 Porovnání obou snímačů
65
8
ZÁVĚR Oba snímače jak optický tak magnetický mají rozlišení 1024 bitů. Tato skutečnost
se potvrdila i při mém měření. Cena mnou použitého magnetického enkodéru je přibližně 250 Kč, optický enkodér je dražší jeho cena se pohybuje okolo 720 Kč a je k němu nutné dokoupit čítač. Já použil čítač HCTL 2020 jehož cena se pohybuje kolem 400 Kč. Konečná cena obou snímačů se může lišit, zejména u magnetického enkodéru kde je výsledná pořizovací cena závislá na použitém typu výstupního signálu. Při použití inkrementálního výstupu se musí i k tomuto enkodéru dokoupit čítač a tím se cena celého zařízení zvyšuje. Z grafu 7.3 je patrné, že jako přesnější se při mém měření ukázal optický enkodér. Jeho průběh je lineární a to v celém rozsahu. Oproti tomu vykazuje magnetický enkodér značně nelineární průběh. V polovině rozsahu je hodnota natočení posunuta přibližně o 20°. Tato skutečnost byla způsobena nastavením vzájemné polohy snímače a magnetu, velikostí magnetu a vystředěním magnetu na ose otáčení. Všechny tyto nedostatky lze odstranit použitím kompaktního provedení magnetického snímače, které jsem však nebyl schopen zajistit. Z hlediska přesnosti jsou oba snímače srovnatelné. Jejich hlavním rozdílem je cena a možnost použití v různých systémech. Magnetický enkodér se dá použít v prostředí kde, nedochází k jeho namáhání. Jeho další výhodou je množství výstupů bez nutnosti použití dalších pomocných obvodů. Toho se dá využít při nahrazení jiných snímačů jako potenciometry, induktosin, … V praxi se tento snímač používá pro snímání natočení klapek, ventilů, polohy navíjecích zařízení, pojezdů. Optický enkodér je vhodný do náročnějších podmínek pro velice přesné snímání. Jeho hlavní nevýhodou je cena a nutnost použití dalších obvodů. Optické snímače mohou být použity k odměřování polohy NC strojů, kontrole rychlosti u pohonných jednotek. Já jsem se setkal s magnetickým enkodérem v simulační technice. Na poloviční úvazek pracuji ve společnosti, která se zabývá výrobou letecké a pozemní simulační techniky zejména pro armádu ČR. Magnetický enkodér je využíván pro snímání polohy plynové rukojeti v simulátoru vrtulníku, nebo jako náhrada ovládacích tlačítek na palubní desce letadla.
66
9
SEZNAM LITERATURY 1. ZEHNULA, K. Čidla robotů. 1. vyd. Praha: SNTL, 1990. 370 s. Automatizace a robotizace. ISBN 80-03-00563-9 2. Antonín Vojáček, 2008: Lankové snímače - elektromechanické měření vzdálenosti [15.1.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 3. Antonín Vojáček, 2010: Miniaturní 3kanálový indukční enkodér pro měření pohybu [20.1.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 4. Antonín Vojáček, 2008: Volba vhodného snímače / detektoru přítomnosti objektů [25.1.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 5. CHLUP T., 2008: Moderní snímače polohy. Bakalářská práce (in MS, dep. knihovna MENDELU v Brně), MZLU v Brně, Brno, 33 s. 6. Plexo, 2008: Technologie přenosu dat přes optická vlákna [30.1.2010]. Dostupné na: http://pctuning.tyden.cz 7. Pavel Tišnovský, 2008: Sběrnice RS-422, RS-423 a RS-485 [3.2.2010]. Dostupné na: http://www.root.cz/ 8. Antonín Vojáček, 2005: Průmysloví sběrnice DeviceNet [5.2.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 9. Antonín Vojáček, 2010: M-BUS (Meter-Bus) - základní popis komunikačního protokolu [5.2.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 10. Antonín Vojáček, 2010: Sběrnice Wireless M-BUS - jde to i bezdrátově... [5.2.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz 11. Antonín Vojáček, 2007: Co se skrývá pod označením PLC? [10.2.2010]. Dostupné na: http://automatizace.hw.cz
67
10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3.1 Základní struktura lankového snímače ............................................................. 10 Obr. 3.2 Odporový snímač lineární ................................................................................ 11 Obr. 3.3 Kondenzátor s proměnlivou mezerou .............................................................. 13 Obr. 3.4 Kondenzátor se souosým uspořádáním ............................................................ 13 Obr. 3.5 Princip senzoru ................................................................................................. 13 Obr. 3.6 Transformátorový můstek................................................................................. 14 Obr. 3.7 S proměnnou vzduchovou mezerou ................................................................. 15 Obr. 3.8 S proměnnou plochou vzduchové mezery ........................................................ 15 Obr. 3.9 S otevřeným magnetickým obvodem ............................................................... 16 Obr. 3.10 Indukční snímač s potlačeným polem ............................................................ 17 Obr. 3.11 Indukční snímač s potlačeným polem a jeho zapojení ................................... 17 Obr. 3.12 S potlačeným polem jednoduchý.................................................................... 17 Obr. 3.13 S potlačeným polem diferenční ..................................................................... 17 Obr. 3.14 Indukční snímač bez feromagnetika ............................................................... 18 Obr. 3.15 Indukční snímač pro velké výchylky .............................................................. 18 Obr. 3.16 Induktosin ....................................................................................................... 20 Obr. 3.17 Kompaktní kamerový systém ......................................................................... 23 Obr. 3.18 Fluidikový snímač odporový .......................................................................... 24 Obr. 3.19 Fluidikový snímač proudový ......................................................................... 25 Obr. 3.20 Fluidikový snímač proudový pro měření úhlové výchylky ........................... 25 Obr. 3.21 Fluidikový snímač proudový s plošným uspořádáním proudu ..................... 25 Obr. 3.22 Fluidikový snímač proudový s vírovým proudem…............................. 25 Obr. 3.23 Princip optického snímače .............................................................................. 27 Obr. 3.24Jednocestná optická závora ............................................................................. 29 Obr. 3.25 Příklad použití optovláknového snímače ........................................................ 30 Obr. 3.26 Princip kontrastního snímače.......................................................................... 31 Obr. 3.27 Princip snímání barvy ..................................................................................... 32 Obr. 3.28 Porovnání klasické a paralelní struktury snímacího čipu ............................... 33 Obr. 3.29 Náhradní schéma vícevrstvého detektoru ....................................................... 33 68
Obr. 3.30Prosvětlovací snímač ....................................................................................... 34 Obr. 3.31Prosvětlovací snímač kruhový ......................................................................... 34 Obr. 3.32 Princip Reedova snímače................................................................................ 35 Obr. 3.33 Řazení bloků uvnitř snímače .......................................................................... 35 Obr. 3.34 Lineární magnetický snímač ........................................................................... 36 Obr. 5.1 Optické vlákno .................................................................................................. 43 Obr. 5.2 Vrstvy modelu ISO/OSI ................................................................................... 46 Obr. 5.3 Vliv rušení na dva vodiče ................................................................................. 48 Obr. 7.1 Magnetický enkodér AS 5040 .......................................................................... 55 Obr. 7.2 Magnetické pole permanentního magnetu ........................................................ 56 Obr. 7.3 Blokové schéma AS 5040................................................................................. 57 Obr. 7.4 SSI výstup s absolutní informací o úhlu natočení ............................................ 58 Obr. 7.5 Inkrementální výstup ........................................................................................ 58 Obr. 7.6 PWM výstup ..................................................................................................... 59 Obr. 7.7 Výstupní napětí ................................................................................................. 59 Obr. 7.8 Deska čítače ...................................................................................................... 60 Obr. 7.9 Zapojení optického enkodéru ........................................................................... 61 Obr. 7.10 Zapojení magnetického enkodéru ................................................................... 62 Obr. 7.11 Detail magnetického enkodéru ....................................................................... 62
69
