Senzory polohy lineární / rotační • Dvoustavové • S kodovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické • Lineární – odporové – indukčnostní – kapacitní – optické – ultrazvukové
Dvoustavové senzory polohy
kontaktní:
bezkontaktní:
(switch)
(proximity detector)
mikrospínač taktilní (vodivá guma)
magnetické optické elektromagnetické kapacitní ...
Dvoustavové senzory polohy (proximity switch)
dvoustavový princip: mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor
lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní ...
Jazýčkové kontakty (reed contacts) Φ
0
F 0
F 0
F
magneticky měkké kontakty 3' 3
ovládány polem permanentního magnetu
1' 1
normálně rozepnutý
2' 2 a)
hystereze malá je žádoucí vícenásobné zony sepnutí
4 5
6
x
4 5
6
x
4 5
6
x
x
Fk
aplikace: otáčky (bicykl), poloha (dveře)
1' 1
2' 2 3
1' 1
2' 2 3
b)
I
d)
c)
Jazýčkové kontakty: zony spínání ζ ζ Z
Z
V
J
0
J y Z
ζ
ζ S
y
V
S Z
0
y
V
y
V Z
Hallův „spínač“ (Hall switch) • • • •
nejrozšířenější senzor polohy často CMOS min. 3 vývody různé spínací charakteristiky – vymezená frekv. oblast (dynamický typ = st) – polarita a hystereze • i diferenciální provedení • i ve smart provedení
Feromagnetické magnetorezistory: AMR: Anisotropní magnetoresistance GMR: Gigantická magnetoseristance
Hallův „spínač“ (Hall switch)
Honeywell
Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů Active Speed and Position Sensors for Engine Management
Honeywell
Inteligentní Hallův senzor
Micronas HAL 800: 3 vývody analogový <> digitální mod
Magnetorezistory • feromagnetické: – AMR (anizotropní magnetorezistance) • cilivější než Hallův senzor • citlivé v rovině chipu • výr. Philips, Honeywell, ... – příp. GMR • polovodičové: kvadratická charakteristika, vyšší B výr. Murata
Indukční cívka (indukční senzor) • • • •
ovládána permanentním magnetem založena na Faradayově jevu aktivní senzor tvar impulsu záleží na rychlosti změny B
Wiegandův senzor • • • •
ovládán permanentním magnetem založen na asymetrickém Barkhausenově skoku je zdrojem energie (aktivní senzor) tvar impulsu nezáleží na rychlosti změny B
N S
N S
1
S
Wiegandův senzor
U
J a)
2
B[mT]
200 100
2
3 t2
t1
0
1
0
-100 -50 b)
0
50
100 H [A/cm]
U[V]
3 2 1 0 c)
t1
t2
t
Siemens
Odporové senzory polohy potenciometr (ne reostat): potlačení změn rezistivity - rotační R
U
jednootáčkový
R1 x R2
víceotáčkový - lineární
mechanické převody lankový senzor polohy: do 40 m buben, pružina ev. nelineární průběhy
Indukčnostní senzory polohy N2 N2 Z( jω) = R + jω = R + jω Zm R m + jX m Zm... magnetická reluktance (L = N2/Zm) Rm ... magnetický odpor Rm = l/µS Xm ... ztráty vířivými proudy a hysterezí
Z( jω) = R +
N 2 ωX m Z m ( jω)
2
+j
N 2 ωR m Z m ( jω)
2
Pro malé f: Rm>>Xm … vířivé proudy ovlivňují Re(Z),velké f: … Im(Z)
• tlumivkové / transformátorové • s otevřeným / uzavřeným magnetickým obvodem • jednoduché / diferenciální
Senzory s vířivými proudy
δ=
2ρ
ωµ
... zeslabení na 1/e = 0.37 i~
δ a) Magnetické Cívka pole
Hrníčkové magnetické jádro
Oscilátor
Stínění
Demodulátor
Komparátor
Zesilovač
Senzory s vířivými proudy: konstrukce fokusace pole: feritové jádro, ev. stínicí kryt
Senzory s vířivými proudy: aplikace • lineární senzory polohy • dvoustavové senzory polohy (proximity switch) • detekce vozidel (a vodivých objektů - miny, potrubí, kabel) • diagnostika u2 • trhliny • složení materiálu
Φ is
um
☺ bezkontaktní ☺ odolné špíně ☺ terčík nemusí být feromagnetický, jen vodivý ☺ málo závisí na jeho parametrech (pokud d >δ )
vyhodnocovací obvody:
LC oscilátor
nebo cize buzený LC rezonanční obvod
u1
us
iw
Indukčnostní senzory s proměnnou vzduchovou mezerou N2 N2 Z ( jω) = R + jω = R + jω Zm Rm + jX m Rm ... magnetický odpor Rm = l/µS
Rm = ∑ i
li l Fe 2d 2d = + → µ i S i µ 0µ r S Fe µ 0 S d µ0 Sd
x
S I(jω)
N2 N2 = µ0 Sd L= Rm 2d
N a
Diferenční indukčnostní senzor
x Uv(jω) Z1(jω)
Z2(jω)
x Uz(jω)
Uv(jω) R
R
linearizace hyperbolické charakteristiky
LVDT = Linear Variable Differencial Transformer
±∆l
M1
+∆l -∆l L2´
S1
U2´(jω)
L1 P
UV0(jω)
Uz(jω) U´´ 2(jω)
S2
L´´ 2
I1(jω) M 2
a)
Synchronní detektor: ☺ potlačí kapacitní rušivý průnik a rušení ☺ rozliší směr posuvu
b)
M1,M2 M2
−M2
M1
UV0
Poměrový obvod pro LVDT (AD 698)
AD698 BUZENÍ
REFERENCE OSCILÁTOR
VB
SD1
+
A B VA
LVDT
SD2
FILTR
VOUT
Induktosyn
výstup p x měřítko
jezdec x
napájení do 1 jezdce
x U 2 = KU cos(2π ) = KU cos ϕ p
vzáj.indukčnost
M ~cosϕ
U = cos ωt ⇒ u 2 (t ) = KU cos ϕ cos ωt napájení do 2 jezdců
u 2 (t ) = u 21 (t ) + u 22 (t ) = KU (cos ϕ cos ωt + sin ϕ sin ωt ) = KU cos(ωt − ϕ ) hrubá stupnice: inkrementální, jemná: měření fáze
výstup
Induktosyn - napájení do měřítka
p x měřítko
jezdec x
u1 (t ) = KU sin ϕ sin ωt
u 2 (t ) = KU cos ϕ sin ωt
u 3 (t ) = KU (sin ϕ cos α − cos ϕ sin α) sin ωt = KU sin(ϕ − α) sin ωt i(t)
fázovací člen
induktosyn násobička sin; cos sin
cos
obousměrný čítač
AD 2S90
generátor impulsů
Selsyn
Resolver stator stator α α rotor
rotor a)
R/D converter : AD2S1200
b)
R/D converter : AD2S1200
Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna .... v = 3000 m/s = 3µm / ns (původně zpožďovací linka) Induction pickup senses initial and reflected strain pulses
Induction pickup coil Magnetostrictive wire S N
N S
Inner Tube
Strain pulse
S N
N S
Magnet in movable float
Outer guide tube A
☺ max. délka až 4 m (útlum) ☺ hystereze 0.4 µm ☺ linearita 0.02 %
S N
N S
Strain pulse
Strain pulse reflected off bottom
Reflection terminator B
C
Patriot
