SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI A POSUVU

Experimentální metody – přednáška 7 Snímače pro měření vzdálenosti a posuvu

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI A POSUVU

• 7.1. Odporové snímače • 7.2. Indukční snímače • 7.3. Magnetostrikční snímače • 7.4. Kapacitní snímače • 7.5. Optické snímače • 7.6. Číslicové snímače


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE princip: posuv je převáděn na pohyb jezdce (kontaktu) po odporové dráze -pricip poteciometru Posuv

Napěťový dělič R2 UOUT = UNAP R1 + R2

UNAP R1

L1

R R2

L2

R2

UOUT =

R

UOUT ρ

UOUT =

UNAP

L2 kde R2 = ρ

UNAP

S

R

L2

UOUT = K L2 pozor: K závisí na napájení

S


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení:

UNAP Posuv

1) stabilita napájecího napětí v čase

L2

L2

výsledek

UNAP

t L2 UNAP

? t


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: 2) velký vstupní odpor navazujících obvodů UNAP Posuv

R2 RZ R2 + RZ

UOUT =

R1 R

R1 +

R2 RZ

UNAP

R2 + RZ

R2 UOUT

Rz Obvody úpravy

k R2 je paraleně zapojen vstupní odpor navazujícího členu řetězce RZ nelinearita vztahu – Rz musí být mnohonásobně větší než R2 Typický odpor snímače je 5kΩ

RZ = R RZ = 10*R

nelinarita je 12% nelinarita je 1,5%


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: • pokud napájecí zdroj dává napětí shodné s rozsahem A/D převodníku, není potřeba zesilovač, lze připojit přímo na vstup převodníku • stabilní a přesný napájecí zdroj – výstup snímače je přímo úměrný napájení • vstupní odpor navazujícího členu řetězce musí být velký aby nedošlo k nelinearitě příklady: 10V

napájení + GND

+10V

-10V 0 až 10

-10 až +10

AI ±10V A/D GND

nejjednodušší zapojení, asymetrický zdroj, A/D v režimu NRSE, rozsah ±10V snímač má výstup 0 až 10V využije se jen polovina rozsahu A/D

napájení + GND -

10V

napájení + GND

0 až 10

AI ±10V A/D GND

symetrický zdroj, A/D v režimu NRSE, rozsah ±10V snímač má výstup ±10V (0 uprostřed) využije se celý rozsah A/D

5

+AI ±5V -AI A/D GND

asymetrický zdroj, A/D v režimu DIFFER, rozsah ±5V snímač má výstup 0 až 10V, ale oproti 5V na vstupu -IN je to vlastně ±5V využije se celý rozsah A/D


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE zásady zapojení: • kompenzace úbytku napájení na vodičích (pro delší propojovací vedení) I

0 + SENSE

+ SENSE

+ EXC

∆U1 = I *RVODIČE 1

+ EXC

I

NAPÁJECÍ ZDROJ

USNÍMAČ = UNAP - ∆U1 – ∆U2 UNAP

NAPÁJECÍ ZDROJ

- EXC - SENSE

∆U2 = I *RVODIČE 2

- EXC

I - SENSE I

0

Upozornění • vstupy SENSE nesmí zůstat nezapojeny!!!!!! • pokud se nepoužijí, je potřeba je propojit s výstupem napájení třeba v konektoru kabelu snímače

• napájecí zdroj odměřuje skutečné napětí na snímači měřicí vodiče zpětné vazby prakticky nezatíženy proudem, tj. bez úbytku • napájecí zdroj zvýší UNAP tak, aby na snímači bylo požadované napětí


7.1. ODPOROVÉ SNÍMAČE Základní charakteristika: • lineární i rotační provedení • délky desítky mm až několik metrů • rotační až 360° • přesnost 0,1 až 0,02% • životnost až 100 mil. cyklů • rychlost až 10m/s, zrychlení až 200m/s2 až 10000 ot/min,

detaily např. na www.novotechnik.com www.orbit.merret.cz

Výhody: • jednoduché, relativně levné • široký výběr typů, délek, kotevních ok, vratná pružina • výstup přímo el. napětí, triviální zapojení • lze použít i pro vysoké rychlosti posuvu Nevýhody: • pro posuv jezdce je třeba síla (tření) – možnost ovlivnění experimentu • menší odolnost proti vlivům prostředí • omezená životnost – závisí na materiálu odporové vrstvy – pozor na vibrace


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem posuv je převáděn na změnu velikosti vzduchové mezery magnetického obvodu tím se mění indukčnost

N2 L= 2d

µ 0 Sd

závislost je nelineární – to se dá vyřešit diferenčním zapojením (obr. vpravo) výhoda: jednoduchý, odolný snímač bez mechanického spojení pevné a pohyblivé části nevýhoda: - vztahy platí jen pro velmi malou vzduchovou mezeru, tj. lze uplatnit jen pro velmi malé posuvy - potřebuje speciální obvody pro napájení a vyhodnocení signálu


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem • magnetický obvod může se může uzavírat i přes vnější materiál • velmi častý případ • využití: • snímač posuvu pro malé vzdálenosti (cca do 20mm) • detektory přítomnosti hmoty, přiblížení - dvoustavový výstup

• snímač pracuje se střídavým napájením • napájecí a poměrně složité vyhodnocovacé obvody bývají integrovány přímo ve snímači • z hlediska uživatele jde ven unifikovaný signál ( 0-10V, 4-20mA,…) nebo logický signál u detektorů přítomnosti


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s uzavřeným magnetickým obvodem Základní charakteristika: • jen lineární provedení detaily např. na www.balluff.cz • délky desetiny mm až několik mm (max. cca 20mm) www.micro-epsilon.cz • přesnost cca 1% Výhody: • jednoduché, levné • integrovaná elektronika – unifikovaný výstup • velká odolnost proti vnějším vlivům • bezkontaktní měření, bez tření Nevýhody: • jen malé vzdálenosti • neexistuje rotační provedení • snímač pro konkrétní typ vnějšího materiálu (magnetické vlastnosti) • vzhledem k vestavěné elektronice omezené teplotní pásmo (většinou 0 - 80 °C) • vzhledem střídavému napájení omezeno frekvenční pásmo (shannonův teorém) (nejčastěji stovky Hz)


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem posuv je převáděn na změnu vzájemné indukčnosti mezi primární a sekundárními cívkami • jeden z nejstarších principů snímání polohy • diferenciální transformátorový snímač LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

Výhody: Nevýhody:

jednoduchý, odolný, bez mechanického spojení pohyblivé a pevné části potřebuje střídavé napájení a speciální vyhodnocovací obvody nelineární na koncích dráhy (používat jen lineární oblast!)


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem • provedení se dvěma nebo jen jednou aktivní cívkou

• obvody pro vyhodnocení prakticky vždy obsahují napájecí střídavý zdroj • velmi často kontrola napájení - vstupy SENSE • obvody pro vyhodnocení mají velmi často diferenciální vstup • na +IN se zapojuje výstup z cívek • na –IN je potřeba připojit polovinu napájení • další dvě cívky • častěji rezistory buď přímo ve snímači nebo v obvodu pro zpracování signálu


7.2. INDUKČNÍ SNÍMAČE Snímač s otevřeným magnetickým obvodem Základní charakteristika: • jen lineární provedení • střídavé napájení (většinou 4,8kHz) • délky jednotky mm až cca 500mm • přesnost cca 1%

detaily např. na www.micro-epsilon.cz www.hbm.cz

Výhody: • široký výběr typů, délek, kotevních ok, vratná pružina • velmi odolné proti účinkům prostředí • široký teplotní rozsah • lze použít pro vysoké rychlosti a zrychlení • prakticky neomezená životnost • může být „bezkontaktní“ – jádro nemusí být v kontaktu s tělem snímače – pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: • neexistuje v rotačním provedení • nutné obvody pro tvorbu střídavého napájení a úpravu signálu • max. rychlost je omezena elektronikou (dolní propust pro odfiltrování napájecí frekvence – shannonův teorém – cca 2,4kHz)


7.3. MAGNETOSTRIKČNÍ SNÍMAČE pracuje na principu měření doby šíření mechanické vlny v materiálu • proudový impuls ve vodiči uvnitř trubky vyvolá kruhové magnetické pole okolo vodiče • v místě, kde se toto pole protne s polem vnějšího magnetu vznikne elastická deformace trubky (magnetostrikční jev)

Vodič uvnitř trubky

Vnější magnet

• deformace trubky se šíří ve formě vlny trubkou k jejím okrajům rychlostí 2830m/s • na jednom konci je zatlumena,na druhém se její příchod zachytí snímačem • měří se čas mezi proudovým impulsem a příchodem vlny

Trubka ze slitiny niklu a oceli


7.3. MAGNETOSTRIKČNÍ SNÍMAČE Základní charakteristika: • jen lineární • délky desítky mm až jednotky m • přesnost cca 0,02% Výhody: • prakticky neomezená životnost • vysoká odolnost proti vlivům prostředí • velký teplotní rozsah • je bezkontaktní – snímá pohyb bez tření, bez síly • integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: • nelze použít pro velké rychlosti – pracuje nespojitě • teplotní rozsah omezený vestavěnou elektronikou

detaily např. na www.balluff.cz www.orbit.merret.cz


7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE posuv je převáděn na změnu velikosti vzduchové mezery, změnu ploch elektrod nebo změnu permitivity prostoru

S C = ε0εr

d

několik možných způsobů provedení změna vzdálenosti desek závislost je nelineární změna plochy závislost je lineární změna permitivity závislost je lineární základní nevýhoda – lze uplatnit jen pro malé posuvy


7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE „otevřený kondenzátor“ jeho elektrostatické pole je ovlivněno vnějším materiálem • velmi častý případ • využití: • snímač posuvu pro malé vzdálenosti (cca do 10mm) • detektory přítomnosti hmoty, přiblížení - dvoustavový výstup


7.4. KAPACITNÍ SNÍMAČE Základní charakteristika: • lineární senzor nebo detektor přítomnosti • (může být i rotační provedení) • délky jednotky mm až cca 10mm • přesnost cca 1%

detaily např. na www.micro-epsilon.cz www.balluff.cz

Výhody: • lze použít pro vysoké rychlosti a zrychlení • prakticky neomezená životnost • velmi odolné proti vlivům prostředí • je „bezkontaktní“ – pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: • nelze použít na velké posuvy • potřebuje elektricky vodivý předmět • složité následné obvody pro úpravu signálu - buď integrováno v čidle - nebo vnější elektronika ale v kompletu s čidlem


7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Triangulační princip posuv je převáděn na změnu úhlu odrazu paprsku od povrchu


7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Triangulační princip Základní charakteristika: • jen lineární • délky jednotky mm až jednotky m • přesnost cca 0,2% Výhody: • prakticky neomezená životnost • je bezkontaktní – snímá pohyb bez tření, bez síly • integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: • nelze použít pro velké rychlosti omezeno rychlostí detektoru • málo odolné proti vlivům prostředí • požadavky na povrch odrazivé plochy

detaily např. na www.micro-epsilon.cz www.balluff.cz


7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Konfokálně chromatický princip posuv je převáděn na detekci barvy odraženého světla • vystupující paprsek je rozložen na barevné spektrum, posuvem předmětu se zpět odráží jen některá barva


7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Konfokálně chromatický princip Základní charakteristika: • jen lineární • délky 0,1 až cca 20 mm • přesnost cca 0,08%

detaily např. na www.micro-epsilon.cz

Výhody: • prakticky neomezená životnost • je bezkontaktní – snímá pohyb bez tření, bez síly • integrovaná elektronika standardní výstup 0-10V nebo 4-20mA nebo digitální výstup Nevýhody: • cenově náročná „specialitka“ • jen pro malé posuvy • málo odolné proti vlivům prostředí • požadavky na povrch odrazivé plochy


7.5. OPTICKÉ SNÍMAČE Detektory přítomnosti • velmi časté použití • dvoustavový výstup

detaily např. na www.balluff.cz


7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Inkrementální snímač posuv je převáděn na sled impulsů, které se počítají

Rozlišení stavu „hmota – mezera“

počítadlo pulzů

• princip optický, magnetický, kapacitní • provedení lineární i rotační • dva snímače posunuté o polovinu šířky „zubu“ • podle posunutí signálů lze rozlišit směr • po zapnutí nelze zjistit absolutní polohu – většinou další snímač a „nulová“ značka


7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Inkrementální snímač Základní charakteristika: • lineární i rotační • délky desítky mm až jednotky m • rozlišení závisí na provedení – lze i µm • odolnost proti prostředí závisí na provedení • výstupem je přímo číslicová informace

detaily např. na www.leinelinde.com www.renishaw.cz

Výhody: • prakticky neomezená životnost • přesnost nezávisí na rozsahu (neuvádí se „klasická“ relativní chyba) • je bezkontaktní – snímá pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: • měří relativně – po zapnutí nelze určit polohu - pro její určení se musí provést posuv, až se detekuje „nulová“ značka

Experimentální metody – přednáška 7 Snímače pro měření posuvu

7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Snímač s prostorovým kódem posuv je převáděn přímo na binární kód

Řada snímačů pro rozlišení „hmota – mezera“

Dekódovací obvod

• princip většinou optický (lze i magnetický) • provedení lineární i rotační • řada snímačů – každý snímá jeden bit kódu • měří absolutní polohu • většinou používá Grayův kód – ten se mění vždy v jednom bitu

Experimentální metody – přednáška 7 Snímače pro měření posuvu

7.6. ČÍSLICOVÉ SNÍMAČE Snímač s prostorovým kódem detaily např. na www.renishaw.cz

Základní charakteristika: • lineární i rotační • délky desítky mm až jednotky m • rozlišení závisí na provedení – lze i µm • odolnost proti prostředí závisí na provedení • výstupem je přímo číslicová informace Výhody: • prakticky neomezená životnost • přesnost nezávisí na rozsahu (neuvádí se „klasická“ relativní chyba) • je bezkontaktní – snímá pohyb bez tření, bez síly Nevýhody: • cenově náročné

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI A POSUVU

Recommend Documents