Snımace polohy
Uc ebnıtext VOS a SPS Kutna Hora
Obsah l l l l l l l l l l l l l l l
Snımace mechanickych velicin Snımace polohy Vlastnosti odporovych potenciometru Zapojenı odporoveho snımace polohy Typy odporovych potenciometru Snımace se skokovou zmá nou odporu (kontaktnı) Mechanicke snımace Magneticke snımace Jazyckova rele - casove pru bá hy Indukcnı snımace polohy Tlumivkove snımace Snımace s promá nnou plochou vzduchove mezery Snımace s otevrenym magnetickym obvodem Transforma torove snımace Odvozenı prevodnıch vztahu snımace LVTD
l l l l l l l l l l l l l l l
Kapacitnı snımace polohy Principy kapacitnıch snımacu I Principy kapacitnıch snımacu II Má ricı obvody kapacitnıch senzoru Bezkontaktnı snımace polohy Vlastnosti bezkontaktnıch snımacu Bezkontaktnı indukcnı snımace Parametry indukcnıch snımacu Mechanicke provedenı Elektricke pripojenı indukcnıho snımace Bezkontaktnı kapacitnı snımace Bezkontaktnı snımace - redukcnı faktor Opticke snımace Opticke absolutnı snımace polohy Opticke inkrementa lnı snımace polohy
Obsah l l l l l l l l l
Vyhodnocovacı obvody inkrement. snımacu Provedenı inkrementa lnıch snımacu Opticke limitnı snımace Jednocestne systemy Reflexnı a snımacı systemy Provedenı a pouzitı optickych systemu Ultrazvukove snımace Typy ultrazvukovych snımacu Ultrazvukove snımace - dokoncenı
Snımac e mechanicky ch velic in Rozdelenı snımacu l
Podle druhu me renů fyzika lnı velic iny • • • • •
l
l
• • • • • • •
polohy rychlosti a zrychlenı kmitavůho pohybu mechanickůho nape tı sıly ..... atd.
Podle prube hu vy stupnıho signa lu • spojitů • limitnı • c ıslicovů
Podle principu c innosti
l
mechanicků odporovů magneticků indukc nı kapacitnı opticků ultrazvukovů ....atd
Podle zpusobu odme rova nı • absolutnı • prırustkovů (inkrementa lnı) • smısenů
Snımace polohy Odporový snımace l
Vlastnosti odporovy ch potenciometru w Rozlisovacıschopnost Uda va jakyšhlovy, prıpadná delkovyinkrement doka ze potenciometr spolehlivá rozlisit. Nejvyssı rozlisenı majı potenciometry vrstvove (az 0,01%), u vinutych potenciometru je rozlisenı da no skokovou zmá nou odporu pri pohybu jezdce mezi sousednımi za vity. w Linearita l Uda va nejvá tsı odchylku vystupnıho napá tı od vztazne prımky. Uda va se v procentech napa jecıho napá tı. w Zivotnost l Je definova na jako pocet otocenı hrıdelkou pri zadanych provoznıch podmınka ch a pri dodrzenı provoznıch vlastnostı v prıslusnych mezıch. Z ivotnost vinutych typu je ra dová 106, vrstvovych a hybridnıch typu 107. w Provoznıkroutıcımoment l Je definova na jako nejvá tsı kroutıcı moment v obou smá rech ota cenı, ktery je potreba k rovnomá rnemu tocenı hrıdelkou v celem mechanickem rozsahu pri udane rychlosti.. l
Vlastnosti odporovy ch potenciometru w Teplotnıkoeficient odporu (jen pro dra tovů potenciometry) l
Stanovı se na za kladá zmá ny odporu pri zmá ná teploty vzdy o 1°C proti vztazne teplotá . Vypocıta se ze vztahu:
TK =
R − R ⋅ 10 R (T − R ) 2
1
1
2
6
1
kde: R1 je odpor v Ω pri vztazne teplotá R2 je odpor v Ω pri má rıcı teplotá T1 je vztazna teplota ve °C T2 je má rıcı teplota ve °C
w Sum l
Sum potenciometru vznika pri pohybu jezdce po vinutı a je zpu soben mechanickymi i elektrickymi efekty. U vinutych potenciometru mu ze byt zpu soben odskakova nım jezdce.
Zapojenı odporovýho snımace polohy Graf za vislosti U2 a polohy
Potenciometricke zapojenı
l
R1
U
R
R1 R2
u
x Rz
U20
R2 Rz
U2
U2
Za vislost mezi me renou polohou a vy stupnım nape tım U2.
U 1 = U a + p ⋅ (1 − a ) 2
−1
kde
x a= x
2
x2 .......................... vzda lenost jezdce od poca tku odporove dra hy x ......................... celkova delka odporove dra hy
p=
R R
Z
Typy odporovy ch potenciometru Rozdelenı l
Podle tvaru dra hy w linea rnı w profilovů
l
Podle materia lu odporovů dra hy w kovovů dra tovů l vrstvovů w nekovovů l uhlıkovů l vodivů plasty (CP) l cermentovů (keramika + kov) l elektrolyticků l
l
Podle pohybu be zce l l l
rotac nıjednoota c kovů rotac nıvıceota c kovů posuvnů
Snımac e se skokovou zme nou odporu (kontaktnı) Preva de jızme nu polohy sledovanůho objektu na skokovou zme nu odporu zpusobenou prepına nım kontaktu. Vy stupnısigna l je tedy logickůho typu (sepnuto - vypnuto).
Rozdelenı w mechanicků w magneticků
Mechanický snımace l l
Pu sobenım neelektricke veliciny (mechanickym pohybem) docha zı ke skokove zmá ná odporu prepına nım kontaktu. Nejcastá jsı aplikacı je má renı polohy pohybujıcıch se ca stı ru znych technickych zarızenı, kde jsou souca stı tzv. koncovych spınac u. Foto mechanickych snımac u
a) pr epınacımechanizmus b) spınacpr ımy c) spınackladic kovy d) spınacza padkovy
Magnetický snımace Rozdelenı w kontakty jazyckoveho rele w wiegandovy sondy w hallovy sondy Kontakty jazy ckovýho relý l
Princip spocıva ve vyuzitı silovych šcinku magnetickeho pole permanentnıho
magnetu na jazycky z magneticky má kkeho materia lu zatavene do sklená ne trubicky plná ne inertnım plynem.
Φ F = 2µ S 2
M
0
δ −δ F =k 2 0
M
FM sıla vyvolana perm. magnetem FD direktivnı sıla µ0 ..... permeabilita vakua S ...... prekryvajıcı se plocha jazycku k ...... tuhost jazycku δ0 .... poca tecnı poloha δ ..... poloha
Na kontakty pu sobısıla F = FM - FD
Jazy ckova relý - casový pru behy Magneticky ovla dana jazyckova rele
Zo ny spına nı jazyckoveho rele pri kolme orientaci magnet - rele
Indukc nısnımac e polohy Princip indukcnıch snımacu polohy spocıva v pr evodu polohy na zme nu vlastnıindukc nosti L, pr ıpadne vza jemnš indukc nosti M.
Rozdelenı: l
Podle za kladnıho principu
l
• tlumivkovů • transforma torovů. l
Podle provedenımagn. obvodu • s otevreny m mag. Obvodem • s uzavreny m mag. Obvodem
Podle uspora da nısnımacıch prvku • jednoduchů • diferencia lnı
l
Podle vazby s me reny m predme tem • dotykovů • bezdotykovů
Tlumivkový snımace Tlumivkový snımace s uzavreny m magneticky m obvodem
Snımac e s prome nnou vzduchovou mezerou Uspora da nı snımace
Pro indukcnost L platı priblizná vztah:: 2
2
N N L= = ⋅µ ⋅S Rm 2d 0
Za vislost L na d je hyperbolicka , D
snımac se pouzıva pouze v oblasti, kde je prevodnı charakteristika priblizná linea rnı - má renı malych posunu .
Vá tsı citlivosti (dvojna sobne) i linearity mu zeme dosa hnout diferencnım snımacem
Tlumivkový snımace s promennou plochou vzduchový mezery l
Pouzıva se pro má renı strednıch posunu . Pro indukcnost L zde platı vztah:
µ ⋅ S ⋅ N ∆l L= ⋅ 2d b 2
0
l
dobre linearity lze dosa hnout pri x << b a d <
Schema a prevodnı charakteristika snımace:
Tlumivkový snımace s otevreny m magneticky m obvodem
l
Princip spocıva ve zmá ná indukcnosti cıvky v za vislosti na poloze feromagnetickeho ja dra. Snımace umoznujı má rit pomá rná velke posuny, ovsem presnost, ani linearita nejsou nejlepsı.
Transforma torový snımace l
Princip w Vyhodnocenı zmá ny vza jemne indukcnosti mezi prima rnı a sekunda rnımi cıvkami. w Prima rnı cıvka je napa jena ze zdroje strıdaveho napá tı, takze vystupnı napá tı sekunda rnıho vinutı je šmá rne má rene veliciná (poloze)
l
Typ LVDT(Linear Variable Differential Transformer)
Provedenı snımace
Prevodnı charakteristiky
Odvozenı prevodnıch vztahu snımace LVTD
w Prima rnı proud
I ( jω ) = 1
U ( jω ) R + jωL Z
1
w Sekunda rnı napá tı l
pri M = M1
l
pri M = M2 :
w Vystupnı napá tı napra zdno
1
U ( j ω ) = j ω M I ( jω ) 21
1
1
U ( j ω ) = j ω M I ( jω ) 21
1
1
U = jω (M − M ) ⋅ V0
1
2
U ( jω ) R + j ωL Z
1
U ( jω ) jω (M − M = ⋅ 1 + jωτ R Z
1
1
2
)
1
Kapacitnısnımac e polohy l
Za kladnı principy w Prevod má rene veliciny na kapacitu kondenza toru a v jejı na sledne prevedenı na zpracovatelnysigna l (napá tı, proud) v logicke nebo spojite formá . w Za kladnım principia lnım vztahem je vzorec pro vypocet kapacity rovinneho deskoveho kondenza toru:
S C =ε ε d 0
r
kde: C
je kapacita kondenza toru
ε0 εr S d
je permitivita vakua je pomá rna permitivita je šcinna plocha elektrod je vzda lenost elektrod
Principy kapacitnıch snımacu I
Principy kapacitnıch snımacu II
Mericı obvody kapacitnıch senzoru l
U kol má ricıch obvodu : w Vyhodnocenı kapacity snımace a jejı prevod na napá ďovynebo proudovysigna l šmá rnymá rene veliciná .
l
Podmınka spra vne cinnosti kapacitnıch snımacu : w Minimalizace vlivu parazitnıch kapacit, ktere mohou znehodnotit vysledek má renı. l
l
Nejjednodussı metodou je zkra cenı prıvodu k má rıcımu clenu. Pokud to dana aplikace umoznuje, je vyhodne pouzıt snımac s integrovanym prevodnıkem.
Metody vyhodnocenı kapacity snımace: w Mu stkove metody - má ricı kondenza tor je zapojen do jedne z vá tvı mu stku napa jeneho harmonickym napá tım. w Zpá tnovazebnı obvody - má ricı kondenza tor je souca stı dá lice zapojeneho do zpá tne vazby operacnıho zesilovace. w Rezonancnı metody - má ricı kondenza tor je souca stı LC obvodu, kapacita se preva dı na kmitocet oscila toru.
Bezkontaktnı snımace polohy l
Vybe r vhodnšho snımac e w Nejdu lezitá jsım krokem pri vybá ru snımace zu sta va volba spra vneho funkcnıho principu, u ná hoz jsou kritickymi faktory: l materia l snımaneho predmá tu l spınacı vzda lenost l elektricke pripojenı l cena. w Indukc nısnımacje vhodny, pokud je snımanypredmá t z kovu w Kapacitnısnımacpouzijeme pro papır, plast, olej, vodnıroztoky, granula t, pra sek, atd. w Magneticky snımacpouzijeme tehdy, je - li mozne na snımanypredmá t prilepit permanentnımagnet. U tá chto metod je vyraznym omezujıcım faktorem snımacı vzda lenost, ktera cinı maxima lná 100 mm. Pro vá tsı vzda lenosti je pak mozne volit z dalsıch metod, jako napr. ultrazvukovš, optoelektrickš, mikrovlnnš, atd.
Vlastnosti bezkontaktnıch snımacu l
Spınacıvzda lenost w Spınacı vzda lenost uda va , pri jake vzda lenosti snımaneho predmá tu od aktivnı plochy snımac zmá nı svu j klidovystav. w Je definova na pro kolme priblızenı k aktivnı plose snımace. w Pro indukcnı a kapacitnı snımace platı na sledujıcı za vislost:
s ≤D/2 kde s D l
je spınacı vzda lenost je pru má r aktivnı plochy (celnı strany) snımace
Hystereze w Je rozdıl mezi polohou spınacıho bodu pri priblizova nı standardizovaneho má rıcıho predmá tu k aktivnı plose snımace a jeho polohou pri oddalova nı.
Bezkontaktnı indukcnı snımace l
Princip c innosti w Rozla“ova nı oscila toru vlivem vırivych proudu po priblızenı kovove clonky k celu cıvky.
w w w w w
Oscila tor vyzaruje do osy snımace vf elektromagneticke pole Priblızenım kovoveho predmá tu k celu cıvky v ná m vzniknou vırive proudy Vznik elektromagnetickeho pole, ktere tlumı kmita nı LC obvodu. Dojde k rozladá nı oscila toru, jeho vystupnı signa l je demodulova n Kompara tor napá tı z demodula toru porovna s prahovou hodnotu a v prıpadá prıtomnosti predmá tu preklopı klopnyobvod.
Parametry indukcnıch bezkontaktnıch snımacu l
Spınacıvzda lenost Sn
w Hodnota Sn se má rı normalizovanou clonkou z oceli Fe 360 (ISO 360). w Skutecna spınacı vzda lenost S= Sn . Korekc nıc initel Materia l
Korekcnı cinitel
ocel
1,00
má “
0,25 - 0,45
mosaz
0,35 - 0,50
hlinık
0,30 - 0,45
uslechtila ocel
0,60 - 1,00
nikl
0,65 - 0,75
seda litina
0,93 - 1,05
Mechanický provedenı l
Indukc nı snımac e polohy se vyra bı v provedenı w w w w
l
va lcovem hranolovem stá rbinovem v provedenı s kruhovym otvorem.
Materia l pouzdra a snımacı plochy w vysoce jakostnı nerezova ocel 303 w mosaz s povrchovou špravou niklem nebo teflonem w plasticke hmoty (Crastin, Ryton, ...)
Elektrický pripojenı indukcnıho snımace l
l
Indukcnı snımace polohy se z hlediska vystupnıho signa lu vyra bı v ná kolika modifikacıch. Vystupnı napá tı je vá tsinou stejnosmá rne, ale mu ze byt i strıdave, jednotlive snımace se lisı šrovnı vystupnıho napá tı. Do elektrickeho obvodu se nejcastá ji zapojujı dvá mi nebo tremi vodici. U trıvodicoveho zapojenı rozlisujeme, zda za tá z (napr. vstup programovatelneho automatu) bude zapojena proti spolecnemu kladnemu (NPN) nebo za pornemu (PNP) vodici.
Za te z Vnitr nıobvody snımac e
Bezkontaktnı kapacitnı snımace l
Snımacje slozen ze c tyr funkc nıch bloku : w w w w
Dvá snımacı elektrody - kondenza tor se za kladnı kapacitou C RC oscila tor - má ricı kondenza tor je souca stı RC oscila toru Komparacnı spınacı obvod Vystupnı obvod
Oscila tor l
Zesilovac
Kompara tor
Pouzitı kapacitnıch snımac u w papır, plast, olej, vodnı roztoky, granula t pra sek, atd.
Vyst. obvod
Kapacitnı snımace - redukcnı faktor l
Spınacıvzda lenost pro pr edme t z urc itšho materia lu je da na: S = Sn . RF w S w Sn w RF
spınacıvzda lenost jmenovita spınacıvzda lenost ( daj vyrobce) redukc nı faktor
Pr ıklad: Kapacitnı snımac s jmenovitou spınacı vzda lenostı 10 mm bude pouzit pro detekci sklená nych predmá tu . Urcete skutecnou spınacı vzda lenost.
S = Sn . RF = 10 . 0,5 = 5 mm
Optický snımace polohy l
Princip w optickych snımac u polohy spoc ıva v modifikaci sve telnšho toku mezi vysılac em a pr ijımac em polohou snımanšho pr edme tu a na slednšm pr evodu na elektrickou velic inu.
l
Rozde lenı: w Podle zpu sobu odme r ova nıse de lına: w Absolutnı poloha je me r ena vzhledem k referenc nımu bodu w Inkrementa lnı poloha je me r ena vu c i pr edchozımu bodu w Limitnı poloha je vyhodnocova na dvouhodnotove
Optický absolutnı snımace polohy l
Princip: w Modifikace svá telneho toku sklená nym kotouckem se soustrednymi stopami s pru hlednymi a nepru hlednymi plochami ko dovanymi v Grayová ko du.
l
Vystupnı signa l: w digita lnı slovo (sırka=pocet stop), ktere reprezentuje polohu (šhlovou hodnotu) vztazenou k referencnımu bodu.
l
Rozlisovacıschopnost w ∆α = 360/2p [ ° ]
l
p pocet stop
Vyhody
w poloha je urcitelna v kteremkoli okamziku w necitlivost na poruchy
l
Nevyhody w vyssı cena w na kladne prıslusenstvı pro zpracova nı má renych dat, prenos a vyhodnocenı
Optický inkrementa lnı snımace polohy l
Princip: w Minima lnı konfigurace obsahuje jeden svá telny zdroj, rotujıcı disk s pru hlednymi a nepru hlednymi dılky, dvá snımacı jednotky a vyhodnocovacı logicke obvody. w Svá telnytok zdroje S (Ga-As-LED) upraveny nastrıknutou cockou P procha zı rastrem R ke dvá ma snımacım fotodioda m E1, a E2. w Fa zovyposun UA, UB (90°) je nutnypro vyhodnocenı smá ru pohybu. w Vá tsı rozlisovacı schopnosti snımace dosa hneme prida nım pevneho optickeho rastru a vyuzitım nonioveho jevu.
Vyhodnocovacı obvody inkrementa lnıch snımacu l
Vyhodnocenı signa lu w w w w w w
Signa l z fotodiod je upraven internımi tvarovacımi obvody Pocet impulsu nese informaci o poloze Sekvence signa lu UA, UB nese informaci o smá ru pohybu Rozlisovacı schopnost snımace lze zvysit elektronicky Referencnı znacka jednou za ota cku doda va prıdavnyreferencnı impuls. Inverznı kana ly zvysujı spolehlivost snımacu
Provedenı inkrementa lnıch snımacu l l
Rotac nı Linea rnı w snımacı kotoucky jsou nahrazeny linea rnımi optickymi rastry (posuvne má rıtko a pevnyjezdec)
l
Me r icı krok w je da n poctem segmentovych dılku na rotujıcım dá licım disku (50 az 36 000) a vyhodnocovacı schopnostı elektronickych obvodu . (Dá lenı disku se prova dı fotolitografickou technologiı podobná jako u integrovanych polovodicovych souca stek.)
Inkrementa lnı snımace LARM Netolice
Optický limitnı snımace polohy l
l
Za kladnı vlastnosti w w w w
Bina rnı vystup Bezdotykove snımace Necitlivost na elektromagneticka a jina pole Intrinsicka bezpecnost, umoznujıcı pouzitı ve vybusnem prostredı.
Pr ehled zpu sobu snıma nı u optoelektron. systšmu podle DIN 44 030 w Jednocestne systemy prijımace cizıho za renı, ktere neobsahujı vysılac l svá telna za vora s oddá lenym zdrojem a prijımacem za renı l svá telna mrız, sestavena z ná kolika seriovych svá telnych za vor l svá telna za clona, pracujıcı s jednım zdrojem a jednım prijımacem za renı, mezi nimi je soustavou zrcadel vytvorena sıďpaprsku w reflexnı systemy l reflexnı svá telna za vora l reflexnı svá telna mrız l reflexnı svá telna za clona w snımacı (ohleda vacı) systemy l
Jednocestný systýmy l
Sve telna za vora
Vysılac
w Vysılac nekoherentnı, ci laserova dioda vyzarujıcı ve viditelne nebo infracervene oblasti w Prijımac l detekce dopadajıcıho za reni, vyhodnocenı,odlisenı za renı vysılace a svá tlo dopadajıcı z okolı l fotodioda, fototranzistor, ci slozitá jsi optron, jehoz citlivost odpovıda vlnove delce vysılace. l
l
Prijımac
Clonka Svá telnypaprsek
Opticka mr ız w Kombinace vıce svá telnych za vor a jejich logicke propojenım w Hlıda plochu mezi vysılacem a prijımacem
l
Sve telna za clona w Za renı jednoho vysılace vede po odrazu od soustavy zrcadel po ru znych dra ha ch, nez dospá je k prijımaci.
Reflexnı a snımacı systýmy l
Sve telna za vora w Vysılac i prijımac svá tla jsou konstrukcná spojeny do jedne jednotky w Na opacne straná sledovaneho prostoru je umıstá no zrcadlo w Zrcadlo musı zarucit spra vnyzpá tnyodraz i pri svem na klonu Reflexnı plocha je slozena z trojzrca tek, tvorenych tremi navza jem kolmymi rovinami (roh krychle).
l
Snımacı (ohleda vacı) systšmy w w w w
Jsou podobne reflexnım systemu m Svá telnypaprsek je mısto zrcadlem odra zen predmá tem Odraz je difšznı a odrazena je jen ca st dopadajıcıho za renı. Ohleda vacı system tedy musı pracovat s vá tsım vykonem nez reflexnı.
Provedenı a pouzitı opticky ch systýmu Provedenı optickych snımacu
Svá telna za vora
Má renı ota cek
Reflexnı snımac
Ultrazvukový snımace polohy l
Princip w Ultrazvukove snımace pracujı na principu odrazu ultrazvukovych pulsu od detekovaneho objektu
w Ultrazvukovyprevodnık (kombinovanyvysılac/prijımac) vysle kra tkyzvukovypuls w Prepne se do prijımacıho rezimu a je vyhodnocova n prijatyultrazvukovypuls, u ktereho se nejdrıve zjisďuje zda opravdu jde o echo vyslaneho signa lu. w Na za kladá delky intervalu "vyslanypuls - echo je odvozeno, zda predmá t lezı v nastavenem rozmezı
Typy ultrazvukovy ch snımacu l
Jednohlavovš systšmy
l
w Snımace pro prımou detekci s
Dvouhlavovš systšmy w Snımace
pro prımou prijımacem a vysılacem
kombinovanym vysılacem a prijımacem
vysılac
vysılac + prijımac
prijımac
objekt l
objekt
Ultrazvukovš za vory w Snımace s pru chozım paprskem prijımac
detekci
vysılac
objekt
s
dá lenym
Ultrazvukový snımace - dokoncenı l
Vyhodnocovacı obvody w Generova nı vystupnıho signa lu, nesoucıho informaci o má renem predmá tu w Snımace s oddá lenym vysılacem a prijımacem (typ b a c) jsou zpravidla bez vyhodnocovacı
elektroniky - samostatne vyhodnocovacı jednotky w Snımace se zabudovanou vyhodnocovacı jednotkou l analogovy vystup l dvoustavovy vystup w Analogove snımace l proudova smycka 4 ... 20 mA l napá ďovy vystup 0 ... 10 V w Rozsah analogoveho signa lu, prıp. spınacı šrovná dvoustavovych vystupu se nastavuje dvá ma potenciometry nebo tzv. ucıcı elektrodou
l
Detekovanš objekty w Predmá ty vhodne pro detekci vsechny tuhe a kapalne la tky a vsechny sypke materia ly (pısek, stá rk, kamenı,..) l tvar a barva odrazne plochy jsou libovolne (min. odrazova plocha dle katalogu) l detekovane predmá ty mohou mıt rovná z va lcovyci vypouklynebo vydutytvar. w Predmá ty nevhodne pro detekci l materia ly se spatnou odrazivostı zvuku (pá nova guma, vysoka vrstva pá ny na hladiná kapaliny, jemna bavlna a vata..) l
