SNÍMAČE A MERACIE ČLENY POLOHY štruktúry, vyhodnocovanie signálov, vlastnosti a oblasti použitia Xskriptá SaP PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 1

Snímače a meracie členy polohy Meranie polohy, výchylky, posunutia a vzdialenosti, sledovanie prítomnosti predmetov a ich počítanie - častý výskyt v automatizačných úlohách, aplikácie v robotických a rôznych pohybových zariadeniach, napr. aj v kinematických častiach akčných členov Zásadné rozšírenie snímania polohy a odvodených procesných veličín priniesla automatizácia nespojitých výrobných procesov, ktorých reprezentantom je hlavne strojárenská výroba (obrábacie stroje, výrobné linky,...) Spojité a nespojité snímače polohy - metrologické a prevádzkové vlastnosti, oblasti použitia jednotlivých snímačov X PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 2

X

Spojité snímače polohy Spojité snímače polohy a odvodených procesných veličín sú charakterizované analógovým signálom na výstupe odporové snímače indukčné snímače – vlastná indukčnosť indukčné – transformátorové, vzájomná indukčnosť kapacitné snímače PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 4

Spojité odporové snímače Odporové (potenciometrické) snímače so spojitým výstupným signálom patria do skupiny pasívnych meracích prvkov a sú vhodné na priame meranie, napr. polohy prvku mechanickej zostavy alebo na meranie neelektrických veličín, ktoré sa dajú transformovať na zmenu polohy, čiže na posunutie Konštrukčné riešenia odporových snímačov polohy s kruhovou dráhou potenciometer s jedným odporovým vodičom odporový vodič navinutý na nosnej podložke stupňovitá odporová dráha odporová dráha tvorená elektrolytom

Schémy zapojenia potenciometrických snímačov polohy posunu pootočenia Pre nezaťažený potenciometer platí pričom konštanta úmernosti k je určená pomerom Reálna hodnota odporu záťaže Rz spôsobuje odchýlku od lineárneho priebehu zaťažovacej charakteristiky, tj. napäťovú chybu potenciometrického snímača X Skriptá SaP

Indukčné snímače Indukčné snímače Meracie členy tejto skupiny transformujú mechanickú veličinu na zmenu vlastnej indukčnosti (indukčné, inductive, pasívne) alebo na zmenu vzájomnej indukčnosti (indukčné, transformátorové, transformer, aktívne). Indukčné snímače tvoria pracovnú časť skupiny snímačov sily, tlaku, ale hlavne polohy, posunutia, uhlu natočenia, otáčok, počítania alebo sledovania prítomnosti predmetov, a pod. Indukčné snímače vlastná indukčnosť Ak prechádza časovo nestály magnetický tok  cievkou s N závitmi, indukuje sa v cievke svorkové napätie

Indukčný snímač s premennou vzduchovou medzerou a jeho charakteristika základná rovnica pre vlastnú indukčnosť Pre celkový magnetický odpor Rm cievky snímača na obr. platí rovnica kde Rž je magnetický odpor feromagnetického jadra, tj. magneticky vodivých častí obvodu Rv magnetický odpor vzduchovej medzery Xskriptá SaP Indukčný snímač s premennou vzduchovou medzerou a jeho charakteristika X

Indukčný snímač s vírivými prúdmi Do kategórie indukčných snímačov patria tiež snímače využívajúce závislosť indukčnosti cievky na prúdovej hustote vírivých prúdov. Vírivé prúdy vytvorené vysokofrekvenčným magnetickým poľom v elektricky vodivom materiáli vybudia v tomto objekte sekundárne magnetické pole Hv. Intenzita tohoto poľa pôsobí proti intenzite poľa H budiacej cievky (Lenzov zákon). Zmenšuje sa intenzita pôvodného poľa, čo charakterizuje názov týchto snímačov, tj. s potlačením poľa Princíp indukčného snímača s vírivými prúdmi Xskriptá SaP ρ – merný el. odpor μ – permeabilita sledovaného predmetu, ω – kruh. frekvencia

Indukčné - transformátorové snímače vzájomná indukčnosť Indukčné snímače pracujú na princípe vzájomnej indukčnosti, podobne ako transformátory, preto sa častejšie nazývajú transformátorové. Na vyhodnocovanie posunu realizovaného pohybovou skrutkou, tj. uhla natočenia v kovoobrábacích strojoch, sa často používa resolver (indukčný fázový menič, špeciálny polohový otočný transformátor) Resolver Presnosť merania uhlu pootočenia rotora sa pohybuje od (0,05 až 5) % z rozsahu pri pracovných obrátkach do 6000 za min. Dve cievky Xskriptá SaP

Opäť sa jedná o špeciálny polohový transformátor Induktosyn Induktosyn sa používa na presné meranie veľkých lineárnych alebo uhlových výchyliek hlavne v kovoobrábacích strojoch Opäť sa jedná o špeciálny polohový transformátor Princíp induktosyna Vyhodnocovanie posuvu x sa zmenilo na elektronické vyhodnocovanie fázového posunu  (nezávislý na pracovnej frekvencii a amplitúde) presne merateľný - prechody nulou napájacieho a indukovaného napätia) Dĺžka pravítka lineárnych induktosynov 200 až 300 milimetrov a merací systém pracuje s absolútnou chybou   6 m až    1,5 m Xskriptá SaP

Kapacitné snímače Xskriptá SaP Základ kapacitných snímačov tvorí dvoj alebo viacelektródový systém kondenzátorov s premenlivými parametrami, ktoré sa menia pôsobením sledovanej napr. neelektrickej veličiny. Kapacitný snímač, jeho náhradné schémy Pre kapacitu jednoduchého rovinného kondenzátora platí kde S je plocha elektród, d vzdialenosť elektród, r pomerná permitivita, 0 permitivita vákua (8,854.10-12 F.m-1). Xskriptá SaP

Aby nedochádzalo k ovplyvňovaniu vlastností snímača zmenou elektrických parametrov prívodov v dôsledku zmeny ich polohy, teploty, vlhkosti a pod., musia byť splnené tieto podmienky Ak je možné zanedbať vplyvy spôsobné veličinami Rv, Lv, Riz, Cv na zmenu kapacity meracieho kondenzátora C, potom vo všeobecnosti platí rovnica pre zmenu kapacity meracieho kondenzátora V prevádzkovej meracej technike sa najčastejšie uplatňuje zmena d a S. X

Kapacitný snímač polohy Kapacitný snímač polohy je tvorený kondenzátorom, ktorý sa skladá z dvoch, prípadne viacerých elektród, pričom aspoň jedna z nich je pohyblivá. Tieto snímače sa uplatňujú hlavne pri meraní polohy a posunutia v rozsahoch mikrometrov a milimetrov. Kapacitné snímače polohy sa delia na:           • snímače pracujúce so zmenou vzdialeností elektród,         • snímače pracujúce so zmenou prekrytia plôch elektród, • snímače, pri ktorých sa mení hrúbka alebo plocha dielektrika. Najjednoduchší tvar kapacitného snímača posunutia predstavuje jednoduchý doskový kondenzátor s premennou medzerou medzi jeho elektródami

Jednoduchý kapacitný snímač a snímač s izolačnou vrstvou a ich prevodové charakteristiky

Diferenciálne zapojenie kapacitného snímača posunutia Dif. kapacitný snímač konštrukcia diferenciálne zapojenie -2x (linear., kompen., citlivosť)

Princíp magnetostrikčných snímačov Magnetostrikčné snímače (princíp objavil Jacob Tellerman v roku 1975) sú vyrábané v dĺžkach od 10 mm až do 20 m. Absol. chyba menšia ako ±0.02 mm Interakcia medzi axiálnym magnetickým poľom p.m. a magnetickým poľom vodiča, vyslaný krátky prúdový impulz (13s), mechanické stáčanie drôtu - nadzvuková vlna s rýchlosťou 2830 m/s (vlnovod), vlna sa šíri s konštantnou rýchlosťou, nezávislá od teploty, znečistenia a necitlivá na otrasy

PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 18

Nespojité snímače polohy nespojité odporové snímače (elektrokontaktné) oscilátorové snímače magnetické snímače, snímače s Hallovou sondou optoelektronické snímače optrónové snímače relatívne (inkrementálne) snímače absolútne (číslicové) snímače

Nespojité odporové snímače (elektrokontaktné) € Snímače tejto skupiny sa vyznačujú tým, že menia zmenu polohy alebo posunutia na skokovú zmenu svojho odporu prepínaním kontaktu Princíp kontaktného snímača a závislosť odporu na posunutí x Xskriptá SaP Aktívny kontakt môže byť ovládaný buď: • priamo, čiže mechanickým posunutím prvku, ktorého poloha sa sníma • nepriamo, tj. cez prevod sledovanej procesnej veličiny na posunutie

Základné usporiadanie kontaktov X

Oscilátorové snímače Xskriptá SaP Sú to bezdotykové väčšinou indukčné snímače, najčastejšie spínacieho typu (binárny výstup). Základný typ je realizovaný ako oscilátor s rezonančným obvodom, ktorý sa zatlmí pri priblížení elektricky vodivého telesa. Oscilátor môže pracovať v dvoch možných režimoch a to tak, že sa v závislosti od polohy meraného telesa amplitúda signálu mení buď skokom alebo spojito Prevodová charakteristika oscilátorových snímačov, spojité vyhodnocovanie Xskriptá SaP

Bloková schéma oscilátorového snímača Z konštrukčného a funkčného hľadiska možno rozdeliť oscilátorové snímače na : • približovacie ·          • priechodové základné typy oscilátorových snímačov X

Analogové indukčné snímače s vylepšenou linearitou – BAW BAW M12MG2-ICC20B-BP_ _ _ _-GS04 M 12 Sl = 0,5...2 mm 4...20mA Analogové indukčné snímače s vylepšenou linearitou – BAW Firma Baluff rozšiřuje řadu analogových snímačů malých rozměrů. Snímače BAW využívají zákaznické obvody ASIC (Aplication Specific Integrated Circuit). Významně vylepšena byla jejich linearita. Rozsah, v němž má snímač lineární převodní charakteristiku, je nyní shodný s celým pracovním rozsahem a je téměř třikrát větší než dříve. Chyba způsobena teplotním driftem je menší než 1 % v celého rozsahu pracovních teplot. Snímače BAW jsou ideální pro měření vzdáleností, snímání otáček rotujících objektů apod. PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 24

Indukčný snímač pre bezdotykové meranie vzdialenosti PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 25

Optoelektronické snímače Do tejto skupiny snímačov patria prvky citlivé na svetlo, čiže na svetelnú energiu najmä z oblasti vlnových dĺžok viditeľného žiarenia, tj. (380 až 760) nm. Základnými stavebnými časťami optoelektronických meracích členov sú prvky na sledovanie intenzity svetla (fotometria – fotorezistor, fotodióda, fototranzistor), prvky s fotolaterálnym javom (polohová citlivosť) a nábojom viazané prvky (kamery CCD) – predmet SS v CIM Bloková schéma optoelektronického snímača Podľa druhu napájacieho signálu sa optoelektronické MČ delia na: napájané elektrickým prúdom napájané svetelným tokom (svetlovodné snímače)

Optrónové snímače Pod označením optrón sa rozumie optoelektronický systém, tj. spojenie zdroja svetla a snímača svetelného žiarenia do jedného celku, do tzv. optrónovej dvojice. Takto sa vytvorí jednoduchý elektrooptický štvorpól. Optrónový snímač neelektrickej veličiny Podľa vzájomného postavenia meraného objektu a snímača možno optrónové snímače charakterizovať ako (intenzitné): • priechodné •   reflexné • kombinované

Základné druhy optrónových snímačov typH typ I typ V typ Y

Relatívne (inkrementálne) snímače Relatívne (inkrementálne, prírastkové) snímače patria medzi optoelektronické meracie systémy, ktoré transformujú mechanickú veličinu (napr. pootočenie, posunutie) na elektrický nespojitý, najčastejšie impulzný signál. Z tohoto dôvodu sú tieto snímače veľmi vhodné pre číslicové spracovanie informácií pretože nevyžadujú AD prevodník. Každá nasledujúca sledovaná poloha je teda daná počtom dráhových prírastkov  voči predchádzajúcej polohe. kde x je nová poloha, x0 je predchádzajúca (referenčná) poloha k  je počet dráhových prírastkov – impulzov 

Princíp inkrementálneho snímača polohy s presvetlovaním sklenené lineárne alebo otočné pravítko - 1 na pravítku sú paralelné priehľadné a nepriehľadné prúžky – 2 nad pravítkom nepohyblivá clona 3 s rovnakou geometriou prúžkov ako na pravítku

Svetelný tok v meracom systéme sklenené lineárne alebo otočné pravítko - 1 na pravítku sú paralelné priehľadné a nepriehľadné prúžky – 2 nepohyblivé clony 3 s rovnakou geometriou prúžkov ako na pravítku špeciálna žiarovka alebo LED diódy 6 úprava toku svetla (4-clona, 5-optika) vyhodnocovacie fotodiódy 7 X

Vyhodnocovanie smeru posuvu, signály A,B Delenie okolo λ= 7μm – až 36 000prúžkov Špičkové prevedenie: chýba merania ±0,05 μm

Absolútne (číslicové) snímače Tento snímač sa nazýva polohový absolútny, lebo je to vlastne priamy AD prevodník poloha/číslo. To znamená, že sa poloha vyhodnocuje v tvare číslicového signálu čo reprezentuje jeho hlavnú výhodu. Základ absolútneho snímača polohy tvorí kódovací prvok, na ktorom je vyjadrená číslicová informácia vhodným číslicovým kódom. Z hľadiska funkčných vlastností je dôležité riešenie vyhodnocovacieho optoelektronického systému, ale aj výber vhodného kódu. Kódovací pás a kotúč s binárnym kódom Binárny, Grayov kód alebo optika kódový kotúč o priemere 100 mm  17 dvojkových rádov, tj. 131 072 dekadických jednotiek, absolútna chyba snímania uhlu  5

PRS Snímače a prevodníky – 18. 9. 2018 34