MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)

background image

1

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki

Sygnały i sensory

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

2 (1 – 91)

Wrocław, 2009

Wa

ż

nym problemem w fazie projektowania wyrobu mechatronicznego jest transmisja

sygnałów analogowych i cyfrowych. Wymaga to od pracowników realizuj

ą

cych taki projekt

znacznej wiedzy i do

ś

wiadcze

ń

w tym zakresie. Z zagadnieniami komunikacji cyfrowej lub

sieciowymi systemami komunikacyjnymi mechatronicy s

ą

stale konfrontowani. Dlatego te

ż

konieczne jest zapoznanie si

ę

takimi wa

ż

nymi zagadnieniami jak np. rodzaje sygnałów,

kodowanie danych, transmisja danych, własno

ś

ci ró

ż

nych interfejsów, czy budowa i działanie

sieciowych systemów komunikacyjnych.

Sygnały analogowe i cyfrowe

W obecnie stosowanych systemach automatyzacji coraz wi

ę

cej urz

ą

dze

ń

pracuje w sposób

cyfrowy. Komputerowe sterowniki wraz z sensorami i aktuatorami wypieraj

ą

wcze

ś

niej

stosowane w automatyzacji procesów urz

ą

dzenia analogowe. Jest to spowodowane post

ę

pem

technologicznym i korzy

ś

ciami wynikaj

ą

cymi z techniki cyfrowej. Równie

ż

transmisja cyfrowa

wypiera standardowe sygnały analogowe, takie jak np.: 0 do +10 V, -5 do +5 V, lub 4 mA do
20 mA.

Systemy techniczne mo

ż

na klasyfikowa

ć

na podstawie sygnałów wyst

ę

puj

ą

cych na ich

wej

ś

ciach i wyj

ś

ciach. Sygnały ró

ż

ni

ą

si

ę

mi

ę

dzy sob

ą

natur

ą

techniczn

ą

. Sygnał jest to

dowolna wielko

ść

fizyczna wyst

ę

puj

ą

ca (przebiegaj

ą

ca) w czasie, która słu

ż

y do

przekazywania informacji. Czyli sygnał jest no

ś

nikiem informacji (np. temperatura,

ci

ś

nienie, napi

ę

cie, pr

ą

d, droga, pr

ę

dko

ść

itp.).

Sygnały, w zale

ż

no

ś

ci od ich warto

ś

ci i przebiegu czasowego, mo

ż

na podzieli

ć

na ró

ż

ne

rodzaje. I tak np. mog

ą

by

ć

sygnały ci

ą

głe i dyskretne, a tak

ż

e analogowe i cyfrowe (w tym

binarne).

W sygnałach analogowych zakres warto

ś

ci mo

ż

e si

ę

zmienia

ć

w sposób ci

ą

gły.

Sygnały

background image

2

Sygnały analogowe i cyfrowe

Sygnał

Sygnał jest fizyczn

ą

wielko

ś

ci

ą

zmieniaj

ą

c

ą

si

ę

w czasie, która przenosi zawart

ą

w nim informacj

ę

,

czyli sygnał jest no

ś

nikiem informacji. Fizyczna wielko

ść

nazywana jest parametrem informacyjnym.

Zarówno parametr informacyjny jak i przebieg czasowy sygnału mog

ą

by

ć

ci

ą

głe lub dyskretne.

Przykład: parametrami informacyjnymi w urz

ą

dzeniach elektronicznych mog

ą

by

ć

: napi

ę

cie, cz

ę

stotliwo

ść

,

pr

ą

d, szeroko

ść

impulsu.

Sygnał analogowy jest ci

ą

gły amplitudowo (warto

ś

ciowo), tzn. parametr informacyjny mo

ż

e (w ramach

okre

ś

lonych granic) przyjmowa

ć

dowolnie wiele warto

ś

ci. Rozdzielczo

ść

teoretycznie jest niesko

ń

czenie

wysoka. Sygnał analogowy mo

ż

e by

ć

ci

ą

gły lub dyskretny w czasie.

Sygnał cyfrowy jest dyskretny amplitudowo i zwykle dyskretny w czasie. W cyfrowej technice układów s

ą

stosowane prawie wył

ą

cznie sygnały dwuwarto

ś

ciowe (binarne) o niskim (ang. Low) i wysokim (ang. High)

poziomie.

0

1

Sygnał binarny:

Sygnał binarny:

Wysoki poziom wody

Informacja analogowa:

Stan poziomu wody

Niski poziom wody

Analogowe i dyskretne przebiegi sygnału

W praktyce coraz cz

ęś

ciej stosowana jest technika cyfrowa przetwarzania i transmisji

informacji, która w porównaniu z technik

ą

analogow

ą

zapewnia znaczne korzy

ś

ci. Na

szerokie i bardzo skuteczne obszary zastosowania techniki cyfrowej wskazuj

ą

przykłady stale

rosn

ą

cej liczby komputerów PC, sieci komunikacyjnych oraz stacji do bezpo

ś

redniego

sterowania cyfrowego DDC (ang. Direct Digital Control).

W przeciwie

ń

stwie do techniki analogowej, w technice cyfrowej nie pracuje si

ę

z sygnałami

o przebiegu ci

ą

głym, lecz z informacjami kodowanymi w dyskretne warto

ś

ci sygnałów. Je

ż

eli

w sygnale cyfrowym rozró

ż

nia si

ę

tylko dwa stany, to wtedy jest to sygnał binarny.

Pojedynczy znak binarny jest okre

ś

lany jako bit (skrót pochodzi z j

ę

zyka angielskiego -

binary digit).

Sygnał binarny ze swoimi tylko dwoma ró

ż

nymi stanami, w porównaniu z sygnałem

analogowym, ma bardzo mał

ą

zawarto

ść

informacji. Je

ż

eli obrazowana w postaci cyfrowej

wielko

ść

wymaga wi

ę

kszego zakresu warto

ś

ci, to musi by

ć

ona zapisana za pomoc

ą

wielu

bitów (bajty, słowa).

Ci

ą

gły przebieg

sygnału

Dyskretny

przebieg sygnału

t

t

background image

3

Sygnały analogowe i cyfrowe

Analogowa

i

cyfrowa

reprezentacja informacji:

Sygnał ci

ą

gły warto

ś

ciowo i w czasie

Sygnał ci

ą

gły w czasie i dyskretny

warto

ś

ciowo

t

t

Sygnał dyskretny w czasie i ci

ą

gły

warto

ś

ciowo

Dyskretny w czasie i dyskretny

warto

ś

ciowo sygnał cyfrowy

Rodzaje sygnałów

Sygnały analogowe

- ci

ą

głe warto

ś

ci

- ci

ą

głe w czasie

x

t

x

t

- ci

ą

głe warto

ś

ci

- dyskretne w czasie

a)

b)

Sygnały cyfrowe

x

- dyskretne warto

ś

ci

- ci

ą

głe w czasie

x

c)

d)

- dyskretne warto

ś

ci

- dyskretne w czasie

t

t

background image

4

Rodzaje sygnałów - sygnały cyfrowe c.d.

Sygnał binarny (dwuwarto

ś

ciowy)

Sygnał trójwarto

ś

ciowy

x

x

e)

f)

t

t

0

1

-100%

0%

100%

Zakresy warto

ś

ci wielko

ś

ci (danych) cyfrowych

1 bit

2

1

stanów

= 2 warto

ś

ci

2 bity

2

2

stanów

= 4 warto

ś

ci

3 bity

2

3

stanów

= 8 warto

ś

ci

4 bity

2

4

stanów

= 16 warto

ś

ci

8 bitów

2

8

stanów

= 256 warto

ś

ci

10 bitów

2

10

stanów

= 1.024 warto

ś

ci

12 bitów

2

12

stanów

= 4.096 warto

ś

ci

16 bitów

2

16

stanów

= 65.536 warto

ś

ci

20 bitów

2

20

stanów

= 1.048.576 warto

ś

ci

itd.

1 bit

2

1

stanów

= 2 warto

ś

ci

2 bity

2

2

stanów

= 4 warto

ś

ci

3 bity

2

3

stanów

= 8 warto

ś

ci

4 bity

2

4

stanów

= 16 warto

ś

ci

8 bitów

2

8

stanów

= 256 warto

ś

ci

10 bitów

2

10

stanów

= 1.024 warto

ś

ci

12 bitów

2

12

stanów

= 4.096 warto

ś

ci

16 bitów

2

16

stanów

= 65.536 warto

ś

ci

20 bitów

2

20

stanów

= 1.048.576 warto

ś

ci

itd.

background image

5

Sygnały analogowe i cyfrowe

Obecnie preferowane jest

cyfrowe przetwarzanie

informacji:



Cyfrowy (ang. Digital, łac. Digitus - palec) w sensie
przeno

ś

nym, to odliczanie za pomoc

ą

palców.



Analogowe przetwarzanie sygnałów

wzgl.

informacji

opiera

si

ę

na manipulowaniu informacjami ci

ą

głymi warto

ś

ciowo.



Jest zwarte, ale podatne na wiele wpływów i zakłóce

ń

.



Cyfrowe przetwarzanie sygnałów

wzgl.

informacji

opiera si

ę

na manipulacji informacjami dyskretnymi warto

ś

ciowo

i w czasie.



Jest ono szczególnie zwarte i korzystne w realizacji
przetwarzania poszczególnych sygnałów binarnych lub
grup sygnałów binarnych.



Cała dynamika sygnału jest do dyspozycji dla sygnałów
binarnych (regeneracja, odporno

ść

na zakłócenia).

Przetwarzanie sygnałów analogowych na cyfrowe

Aby mo

ż

na było wielko

ś

ci (sygnały) analogowe przetwarza

ć

w sposób cyfrowy, musz

ą

by

ć

one

najpierw zamienione na warto

ś

ci cyfrowe. Poniewa

ż

jednak wielko

ść

analogowa mo

ż

e

przyjmowa

ć

dowolnie wiele warto

ś

ci po

ś

rednich, a zakres warto

ś

ci wielko

ś

ci cyfrowej jest

ograniczony, to wskutek tej zamiany (przetwarzania) na dyskretne warto

ś

ci cyfrowe powstaj

ą

ę

dy kwantyzacji. Im wi

ę

cej bitów zostanie wykorzystanych do tego zobrazowania i im cz

ęś

ciej

próbkowany jest sygnał analogowy, tym te bł

ę

dy s

ą

mniejsze.

Sygnał analogowy

Sygnał

cyfrowy

Amplituda

sygnału

ą

d

[bit]

t

t

1/2

-1/2

1 bit

ę

dy kwantyzacji wskutek ograniczonej rozdzielczo

ś

ci

i dyskretnego próbkowania

Analogowy zakres pomiarowy: 0 do 300 mm

1. Zakres warto

ś

ci 8-bitowej zmiennej: 256

ą

d kwantyzacji: (300/256) mm = 1,2 mm

2. Zakres warto

ś

ci 12-bitowej zmiennej: 4096

ą

d kwantyzacji: (300/4096) mm = 0,073 mm

Porównanie bł

ę

dów kwantyzacji przy

Porównanie bł

ę

dów kwantyzacji przy

pomiarze długo

ś

ci dla ró

ż

nych rozdzielczo

ś

ci

pomiarze długo

ś

ci dla ró

ż

nych rozdzielczo

ś

ci

przetworników analogowo

przetworników analogowo

-

-

cyfrowych A/C

cyfrowych A/C

Ze wzrostem liczby bitów rosn

ą

jednak nakłady

zwi

ą

zane z przetwarzaniem i transmisj

ą

danych.

Aby zapewni

ć

mo

ż

liwie mał

ą

utrat

ę

informacji

powstaj

ą

c

ą

wskutek przetwarzania A/C

i równocze

ś

nie nie wybiera

ć

niepotrzebnie du

ż

ego

zakresu zobrazowania binarnego, zakres warto

ś

ci

nale

ż

y dopasowa

ć

do ka

ż

dorazowego zadania.

background image

6

Za stosowaniem sygnałów binarnych przemawiaj

ą

nast

ę

puj

ą

ce wzgl

ę

dy:

- du

ż

y odst

ę

p sygnału od zakłóce

ń

,

- mo

ż

liwe s

ą

wi

ę

ksze tolerancje w poziomie reprezentowanych wielko

ś

ci fizycznych,

- łatwe w realizacji,
- wymagaj

ą

mało obwodów podstawowych.

Porównanie sygnałów analogowych z cyfrowymi

Zaletami techniki analogowej s

ą

:



Tania (np. realizacja układów cyfrowych z elementami dyskretnymi wymaga wi

ę

kszych nakładów ni

ż

odpowiedni

układ analogowy),



Cz

ę

sto jest prostsza,



Dla jednakowej transmisji sygnał analogowy ma mniejsze wymagania dla kanału ni

ż

sygnał cyfrowy,



Ci

ą

głe przetwarzanie amplitudowe i w czasie (?!),



Cz

ę

sto nie jest wymagane przekształcanie przetwarzanej wielko

ś

ci,



Zwarta, równie

ż

przy przekroczeniu wyspecyfikowanych zakresów sygnału.

Zalety techniki cyfrowej:



Jest tania przy zastosowaniu układów o wysokiej skali integracji,



Mo

ż

liwa dowolna dokładno

ść

,



Odporno

ść

na zakłócenia, niezawodno

ść

,



Sygnały s

ą

mo

ż

liwe do zapami

ę

tania.

Transmisja równoległa zobrazowanie parametru informacyjnego (z 2 n mo

ż

liwymi warto

ś

ciami) – warto

ś

ci sygnału

s

ą

przenoszone (transmitowane) przez n kanałów. Zalety: natychmiast jest kompletna warto

ść

, ci

ą

głe w czasie,

odporne na zakłócenia.
Transmisja szeregowa – warto

ś

ci n-bitowego parametru informacyjnego s

ą

kolejno po sobie transmitowane przez

1 kanał w n chwilach czasu. Zalety: małe nakłady techniczne (?!).

Dane i sygnały

Dane

Dane

Zobrazowanie (przedstawienie)
rzeczy, koncepcji, wyobra

ż

e

ń

i instrukcji w sposób
sformalizowany.

Sygnał

Sygnał

Fizyczne zobrazowanie danych
przez charakterystyczne
przestrzenne i/lub czasowe
zmiany warto

ś

ci wielko

ś

ci

fizycznych.

Zatem sygnały s

ą

rzeczywist

ą

fizyczn

ą

reprezentacj

ą

zobrazowa

ń

abstrakcyjnych:

danych.

Przedmioty naszego my

ś

lenia

Przedmioty naszego my

ś

lenia

Dane jako sformalizowane

zobrazowanie

Dane jako sformalizowane

zobrazowanie

Sygnały jako rzeczywiste

zobrazowanie danych

Sygnały jako rzeczywiste

zobrazowanie danych

Ś

wiat

abstrakcyjny

Konwencje do

zobrazowania tre

ś

ci

my

ś

lenia

Konwencje do

zobrazowania

danych

Ś

wiat

fizyczny

background image

7

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe (A/C) sygnału

analogowy

cyfrowy

t

s

– okres próbkowania

n - liczba bitów

Zapis bitowy, bajtowy i heksadecymalny

W technice cyfrowej najcz

ęś

ciej nie pracuje si

ę

z najmniejszymi mo

ż

liwymi wielko

ś

ciami

(bitami), ale prawie wył

ą

cznie z 8 bitowymi, tzn. byte (bajty). Dlatego te

ż

wielko

ś

ci 8-, 16-, lub

32-bitowe s

ą

okre

ś

lane jako 1-, 2-, lub 4-byte’owe.

1 byte = 8 bit

Binarny sposób zapisu z zerami i jedynkami dla du

ż

ych zakresów warto

ś

ci staje si

ę

bardzo

szybko nieprzejrzysty, jak np. 2-byte’owej zmiennej: 01101001 00001101.

Dlatego te

ż

dla uzyskania tej przejrzysto

ś

ci wprowadzony został zapis heksadecymalny

(16-kowy). W tym systemie liczbowym ka

ż

dy znak mo

ż

e przyjmowa

ć

16 ró

ż

nych warto

ś

ci: 0...9

i A...F.

Binarny i heksadecymalny zapis wielko

ś

ci 4-bitowej

B

A

9

8

Heksade-

cymalnie

1111

1110

1101

1100

Binarnie

1011

1010

1001

1000

Binarnie

0011

0010

0001

0000

Binarnie

F

7

0111

3

E

6

0110

2

D

5

0101

1

C

4

0100

0

Heksade-

cymalnie

Heksade-

cymalnie

Binarnie

Heksade-

cymalnie

Przykład:

Przykład:

- zapis binarny: 01101001 00001101

- zapis heksadecymalny: 690D

background image

8

Zalety techniki cyfrowej

Cyfrowe zobrazowanie i przetwarzanie (analogowych) informacji, w porównaniu ze zobrazowaniem analogowym, wydaje

si

ę

pocz

ą

tkowo rozwi

ą

zaniem wymagaj

ą

cym znacznych nakładów. Ka

ż

da wielko

ść

analogowa musi by

ć

w odpowiedni

sposób kodowana, aby mogła by

ć

zapisana w postaci wielu sygnałów binarnych. Jednak pozorne wady, które powstaj

ą

wskutek takiego post

ę

powania s

ą

w wielu obszarach zastosowa

ń

kompensowane przez takie zalety techniki cyfrowej

jak:



du

ż

a odporno

ść

na zakłócenia,



mo

ż

liwe proste zapami

ę

tywanie danych,



elastyczne dalsze przetwarzanie oraz



ż

norodne mo

ż

liwo

ś

ci przesyłania (transmisji).

Wysoka odporno

ść

na zakłócenia. Podczas gdy sygnał (informacja) analogowy zmienia si

ę

wskutek ka

ż

dego zakłócenia

(tak

ż

e małego), to cyfrowo zakodowana informacja zostanie dopiero wtedy zafałszowana, je

ż

eli impuls zakłócaj

ą

cy jest

wi

ę

kszy ni

ż

odst

ę

p zakłóce

ń

ka

ż

dorazowego poziomu cyfrowego. Odst

ę

p sygnału od zakłóce

ń

uzyskuje si

ę

z ró

ż

nicy

poziomu nadawania i odbierania. Okre

ś

la on, jak du

ż

e musz

ą

by

ć

indukcyjnie lub pojemno

ś

ciowo sprz

ę

gane zakłócenia

(oscylacje napi

ę

cia sieci, piki z zał

ą

cze

ń

), lub wahania napi

ę

cia zasilania, aby sygnał cyfrowy został zakłócony.

Mo

ż

liwo

ść

krótkotrwałego i długotrwałego zapami

ę

tywania. Dane cyfrowe mog

ą

by

ć

w bardzo prosty sposób

zapami

ę

tywane na ró

ż

nych, cz

ę

sto bardzo tanich mediach. Mo

ż

e si

ę

to odbywa

ć

krótkotrwale za pomoc

ą

ulotnych pami

ę

ci

półprzewodnikowych RAM (ang. Random Access Memory), albo długotrwałe za pomoc

ą

magnetycznych lub optycznych

mediów.

Elastyczno

ść

i dalsze przetwarzanie. Sterowane programowo przetwarzanie danych za pomoc

ą

mikroprocesorów

umo

ż

liwia to,

ż

e nawet bardzo zło

ż

one algorytmy – z du

ż

ym stopniem elastyczno

ś

ci - mog

ą

by

ć

wykonywane (obliczane)

w krótkim czasie.

ż

norodne mo

ż

liwo

ś

ci transmisji. Oba stany sygnału binarnego (tzn. 0 i 1) daj

ą

si

ę

bardzo prosto w ró

ż

ny sposób

kodowa

ć

. Ta mo

ż

liwo

ść

otwiera szerokie spektrum zastosowa

ń

. I tak np. przy transmisji danych na du

ż

e odległo

ś

ci, ze

wzgl

ę

du na małe zapotrzebowanie mocy (energii) i du

żą

odporno

ść

na zakłócenia s

ą

cz

ę

sto stosowane

ś

wiatłowody.

Sygnałom binarnym mo

ż

na bezpo

ś

rednio przyporz

ą

dkowa

ć

stany ZAŁ/WYŁ sygnału

ś

wietlnego, natomiast sygnał

analogowy daje si

ę

przesyła

ć

przez

ś

wiatłowód tylko z zastosowaniem wymagaj

ą

cej du

ż

ych nakładów linearyzacji

i wnosz

ą

cej bł

ę

dy ocenie intensywno

ś

ci.

Odst

ę

p sygnału cyfrowego od zakłóce

ń

Poziom sygnałów układu TTL

Poziom sygnałów układu TTL

-

-

LS

LS

Poziom niski (L, LOW):

- gwarantowany poziom nadawania:

max. 0,5 V

- gwarantowany poziom odbierania:

max. 0,8 V

- statyczny odst

ę

p od zakłóce

ń

:

0,3 V

Poziom wysoki (H, HIGH):

- gwarantowany poziom nadawania:

min. 2,7 V

- gwarantowany poziom odbierania:

min. 2,0 V

- statyczny odst

ę

p od zakłóce

ń

:

0,7 V

background image

9

0,1 mW

8 mW

Aktywny pobór pr

ą

du

10 MHz

33 MHz

Maks. cz

ę

stotliwo

ść

zał

ą

czania

-0,02 mA

0,0001 mA

-0,4 mA

0,02 mA

Pr

ą

d

4,95 V

3,5 V

2,7 V

2,0 V

Napi

ę

cie

Stan 1 (High)

0,5 mA

-0,0001 mA

8 mA

-0,4 mA

Pr

ą

d

0,05 V

1,5 V

0,5 V

0,8 V

Napi

ę

cie

Stan 0 (Low)

Wyj

ś

cie

Wej

ś

cie

Wyj

ś

cie

Wej

ś

cie

-0,02 mA

-100 mA

Maksymalny pr

ą

d

5 - 15 V

4,75 - 5,25 V

Napi

ę

cie zasilania

CMOS

TTL

Ogólne własno

ś

ci układów TTL i CMOS

Napi

ę

cie wej

ś

ciowe

1

0

2

3

4

5

[V]

Masa

Low

Low

High

High

Napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

1

0

2

3

4

5

[V]

Masa

Low

Low

High

High

TTL

TTL

Napi

ę

cie wej

ś

ciowe

1

0

2

3

4

5

[V]

Masa

Low

Low

High

High

Napi

ę

cie wyj

ś

ciowe

1

0

2

3

4

5

[V]

Masa

Low

Low

High

High

CMOS

CMOS

6

7

8

6

7

8

TTL (ang.Transistor-Transistor Logic)

CMOS (ang. Complementary Metal Oxide Semiconductor)

Transmisja równoległa sygnałów cyfrowych

Transmisja sygnałów cyfrowych pomi

ę

dzy dwoma lub wieloma urz

ą

dzeniami lub uczestnikami

(stacjami, w

ę

złami) komunikacyjnymi mo

ż

e si

ę

odbywa

ć

albo równolegle albo szeregowo.

Transmisja równoległa

W transmisji równoległej wszystkie bity okre

ś

lonej informacji (danych) s

ą

przenoszone

równocze

ś

nie, tzn. równolegle przez odpowiedni

ą

liczb

ę

przewodów danych (magistral

ę

).

Nakłady instalacyjne s

ą

tutaj odpowiednio wysokie i do zaakceptowania tylko w przypadkach

krótkich dróg (odległo

ś

ci) transmisji. Do transmisji jednego bajta (tzn. 8-bitów) pomi

ę

dzy stacj

ą

nadawcz

ą

i odbiorcz

ą

wymagane jest minimum 9 przewodów (8 bitów i potencjał odniesienia).

Dlatego te

ż

ta technika jest stosowana prawie wył

ą

cznie w magistralach urz

ą

dze

ń

. S

ą

tutaj –

przy krótkich poł

ą

czeniach – bez zaawansowanych metod przetwarzania uzyskiwane wysokie

szybko

ś

ci transmisji.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8

.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

9 przewodów

Nadajnik

Nadajnik

Odbiornik

Odbiornik

Znak

Znak

8

8

-

-

bitowy

bitowy

Znak

Znak

8

8

-

-

bitowy

bitowy

background image

10

Transmisja szeregowa

W przypadku du

ż

ych odległo

ś

ci zalecana jest transmisja szeregowa, w której tylko przez jeden

przewód danych poszczególne bity s

ą

kolejno przenoszone (transmitowane) w czasie. Chocia

ż

ten sposób transmisji informacji jest zwi

ą

zany z odpowiednio wi

ę

kszymi nakładami czasu, to ze

wzgl

ę

du na znacznie mniejsze nakłady instalacyjne i koszty jest on cz

ę

sto stosowany. Poniewa

ż

wszystkie informacje (bity) musz

ą

by

ć

tworzone co najmniej równolegle, to nadajnik musi

realizowa

ć

równoległo-szeregowe, a odbiornik szeregowo-równoległe przetwarzanie danych. Te

funkcje s

ą

realizowane przez specjalnie wł

ą

czone rejestry przesuwne, które s

ą

ju

ż

zintegrowane

w dost

ę

pnych na rynku mikrokontrolerach i modułach komunikacyjnych.

2 przewody

Nadajnik

Nadajnik

Odbiornik

Odbiornik

Z

n

a

k

8

Z

n

a

k

8

-

-

b

it

o

w

y

b

it

o

w

y

Z

n

a

k

8

Z

n

a

k

8

-

-

b

it

o

w

y

b

it

o

w

y

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8

.

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

8. 7. 6. 5. 4. 3. 2. 1.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

8, 7, 6, 5,

4, 3, 2, 1

Transmisja szeregowa sygnałów cyfrowych

Istniej

ą

zatem dwa mo

ż

liwe rodzaje transmisji danych:



Transmisja szeregowa polega na przesłaniu sekwencyjnym (bit po bicie) danych. Urz

ą

dzeniem transmisji

szeregowej jest np. modem. Dane s

ą

przesyłane za pomoc

ą

kabla szeregowego (np. RS-232) ł

ą

cz

ą

cego np.

komputer z modemem, a stamt

ą

d, po modulacji bit po bicie s

ą

przesyłane do sieci telefonicznej.



Transmisja równoległa polega na jednoczesnym przesyłaniu wi

ę

kszej liczby bitów informacji (przewa

ż

nie

o

ś

miu, czyli jednego bajtu). Przykładem tego rozwi

ą

zania jest transmisja znaków do drukarki za pomoc

ą

kabla

typu Centronics.

Szybko

ść

transmisji okre

ś

la natomiast liczb

ę

bitów przesyłanych w jednostce czasu. Jednostk

ą

szybko

ś

ci

transmisji jest bit na sekund

ę

(bit/s) lub bps (z ang. bit per sek.)

Natomiast podczas transmisji
synchronicznej, dzi

ę

ki okre

ś

lonemu

impulsowi taktuj

ą

cemu, utrzymywane jest

stałe tempo przekazywania informacji. Nie
wyst

ę

puj

ą

tutaj przerwy spowodowane

konieczno

ś

ci

ą

synchronizacji

pojedynczych porcji informacji, a wi

ę

c

uzyskuje si

ę

lepsze wykorzystanie linii

ł

ą

cz

ą

cych.

Rozró

ż

niamy dwie metody transmisji

danych: asynchroniczn

ą

i synchroniczn

ą

.

Podczas transmisji asynchronicznej
wyst

ę

puj

ą

kolejno po sobie wycinki czasu

zawieraj

ą

ce i nie zawieraj

ą

ce informacji.

Aby przygotowa

ć

odbiorc

ę

na przyj

ę

cie

sygnału zawieraj

ą

cego informacje, s

ą

wysyłane sygnały startu oraz sygnały
stopu, rozpoczynaj

ą

ce i ko

ń

cz

ą

ce

przesyłanie porcji informacji.

Cyfrowa transmisja danych

Sygnał

startu

Sygnał

startu

Sygnał

stopu

Porcja

informacji

Porcja

informacji

Transmisja asynchroniczna

Sygnał taktuj

ą

cy

Dane

Transmisja synchroniczna

background image

11

Metody rozpoznawania bł

ę

dów transmisji danych

Transmisja danych cyfrowych z jednego miejsca do drugiego mo

ż

e spowodowa

ć

powstanie

ę

dów. Mog

ą

one wynika

ć

z tego,

ż

e odbiornik z powodu działania zakłóce

ń

sygnałów

elektrycznych podczas transmisji nie odbiera tego samego sygnału, który został wysłany
przez nadajnik. Impuls zakłócaj

ą

cy mo

ż

e niekiedy w okre

ś

lonym punkcie by

ć

wystarczaj

ą

co

du

ż

y,

ż

eby spowodowa

ć

zmian

ę

logicznego poziomu sygnału. I tak np. wysłany ci

ą

g 1001

bitów mo

ż

e by

ć

odebrany jako 1101. Aby rozpozna

ć

tego rodzaju bł

ę

dy, cz

ę

sto stosowany

jest bit parzysto

ś

ci. Bit parzysto

ś

ci jest dodatkowym bitem 0 lub 1, który jest

przyporz

ą

dkowywany jednej grupie kodowej. W prostej metodzie parzysto

ś

ci warto

ść

tego

bitu jest dobierana w taki sposób,

ż

eby całkowita liczba jedynek w grupie kodowej, ł

ą

cznie

z bitem parzysto

ś

ci, była liczb

ą

parzyst

ą

. I tak np. podczas transmisji 1001 bit parzysto

ś

ci

wynosi 0, a w wyniku otrzymuje si

ę

01001 i tym samym liczba jedynek jest parzysta. Podczas

transmisji 1101 warto

ść

bitu parzysto

ś

ci wynosi 1, a wynik 11101 i tym samym ł

ą

czna liczba

jedynek jest parzysta.

W przypadku zastosowania nieparzysto

ś

ci, warto

ść

bitu parzysto

ś

ci jest dobierana w taki

sposób,

ż

eby całkowita liczba jedynek, ł

ą

cznie z bitem parzysto

ś

ci, była liczb

ą

nieparzyst

ą

.

Je

ż

eli w odbiorniku liczba jedynek w grupie kodowej nie daje wymaganej parzysto

ś

ci, to

odbiornik rozpoznaje,

ż

e wyst

ą

pił bł

ą

d i mo

ż

e za

żą

da

ć

ponownej transmisji.

Rozszerzeniem kontroli parzysto

ś

ci jest suma kontrolna, w której bloki kodowe mog

ą

by

ć

sprawdzane w taki sposób,

ż

e transmitowanych jest szereg bitów, które tworz

ą

sum

ę

binarn

ą

. Sprawdzanie parzysto

ś

ci i sumy kontrolnej pozwala tylko na rozpoznanie

pojedynczych bł

ę

dów w kodowanych blokach, natomiast podwójne bł

ę

dy nie s

ą

wykrywane.

Dlatego te

ż

konieczny jest rozwój i zastosowanie innych metod wykrywania i usuwania

ę

dów transmisji.

Istnieje wiele metod rozpoznawania bł

ę

dów w systemach pomiarowych, sterowania i komunikacyjnych (transmisji

danych):



Kontrola powtórzenia – ta metoda polega na kopiowaniu wzgl. powtórzeniu działania i porównaniu wyników.
Je

ż

eli nie wyst

ą

pi bł

ą

d, to przyjmuje si

ę

,

ż

e wyniki powinny by

ć

jednakowe. W przypadku krótkotrwałych bł

ę

dów

mo

ż

e to oznacza

ć

,

ż

e przebieg musi by

ć

dwukrotnie powtórzony i porównane wyniki, albo te

ż

zastosowane dwa

układy i porównane wyniki obu tych układów. Jednak jest to rozwi

ą

zanie kosztowne.



Sprawdzanie warto

ś

ci oczekiwanej – bł

ę

dy programowe s

ą

cz

ę

sto wykrywane wówczas, gdy nast

ą

pi

sprawdzenie, czy przy wprowadzaniu okre

ś

lonej danej numerycznej uzyskiwana jest warto

ść

oczekiwana. Je

ż

eli

nie uzyskuje si

ę

oczekiwanej warto

ś

ci, to stwierdza si

ę

ą

d.



Sprawdzanie czasu – w tej metodzie sprawdza si

ę

, czy w

ś

ci

ś

le okre

ś

lonym czasie została wykonana

przewidziana funkcja. Tego rodzaju kontrol

ę

nazywa si

ę

zwykle nadzorowaniem czasu przebiegu (ang. Watchdog

Timer). I tak np. w sterownikach PLC na pocz

ą

tku operacji (cyklu) uruchamiany jest zegar (ang. Timer) i je

ż

eli

operacja nie zostanie zako

ń

czona w przeci

ą

gu zadanego czasu, to przyjmuje si

ę

,

ż

e wyst

ą

pił bł

ą

d. Wówczas

Watchdog Timer reaguje w ten sposób,

ż

e powoduje wywołanie alarmu i wył

ą

czenie całej instalacji lub jej cz

ęś

ci.



Kontrola zwracania. Je

ż

eli istnieje bezpo

ś

rednia relacja pomi

ę

dzy warto

ś

ciami wej

ś

ciowymi i wyj

ś

ciowymi, to przy

pomocy warto

ś

ci wyj

ś

ciowej mo

ż

na obliczy

ć

warto

ść

wej

ś

ciow

ą

, która spowodowała t

ą

warto

ść

wyj

ś

ciow

ą

.

Nast

ę

pnie otrzyman

ą

warto

ść

mo

ż

na porówna

ć

z warto

ś

ci

ą

wej

ś

ciow

ą

.



Kontrola parzysto

ś

ci i rozpoznawanie bł

ę

dów – te metody sprawdzania s

ą

cz

ę

sto stosowane do stwierdzania

ę

dów pami

ę

ci i transmisji danych. Kanały komunikacyjne s

ą

cz

ę

sto nara

ż

one na zakłócenia, które mog

ą

wpływa

ć

na bł

ę

dy nadawania. Aby stwierdzi

ć

, czy dane nie zostały zafałszowane, do przenoszonych danych jest wstawiany

bit parzysto

ś

ci. Bit parzysto

ś

ci jest dobierany w taki sposób,

ż

eby suma jedynek w grupie była parzysta

(sprawdzanie parzysto

ś

ci) lub nieparzysta (sprawdzanie nieparzysto

ś

ci). W przypadku nieparzysto

ś

ci mo

ż

na po

transmisji sprawdzi

ć

słowo, aby stwierdzi

ć

czy jest ono ci

ą

gle jeszcze nieparzyste. Inne metody kontroli zawieraj

ą

kody, na których opiera si

ę

transmisja danych, aby rozpozna

ć

zafałszowane bity.



Kontrola diagnostyczna – jest stosowana do sprawdzania przebiegu (zachowania si

ę

) składowych systemu. Do

składnika wprowadzane s

ą

wielko

ś

ci wej

ś

ciowe, a uzyskiwane wielko

ś

ci wyj

ś

ciowe s

ą

porównywane z

oczekiwanymi wynikami.

Metody rozpoznawania bł

ę

dów danych

background image

12

Interfejsy komputerowe

Istniej

ą

ż

ne mo

ż

liwo

ś

ci przył

ą

czenia (interfejs) urz

ą

dze

ń

automatyki. W wielu systemach automatyzacji

stosowane s

ą

rozwi

ą

zania zapewniaj

ą

ce integracj

ę

przepływu informacji z wykorzystaniem sieci

komunikacyjnych (np. Ethernet). W poszczególnych urz

ą

dzeniach lub małych modułach, a tak

ż

e

programowaniu i piel

ę

gnacji, w zale

ż

no

ś

ci od realizowanych zada

ń

, s

ą

stosowane równie

ż

inne rodzaje

interfejsów (magistral, sieci).

Magistrala PCI jest systemem ł

ą

cz

ą

cym moduły wewn

ą

trz komputera PC. Z jej pomoc

ą

pracuj

ą

wbudowane

w komputer urz

ą

dzenia (karty).

Interfejs sieciowy Ethernet umo

ż

liwia przył

ą

czenie dowolnie wielu urz

ą

dze

ń

przy pomocy standardowych

metod. W du

ż

ych, silnie obci

ąż

onych sieciach nie mo

ż

na zapewni

ć

okre

ś

lonego czasu transmisji.

Interfejs szeregowy (V.24, RS 232, COM) jest ju

ż

nieco przestarzałym, ale bardzo rozpowszechnionym

interfejsem, którego nie mo

ż

e ignorowa

ć

ż

aden u

ż

ytkownik.

Szeregowy interfejs RS-485 jest prosty, odporny na zakłócenia i uniwersalny w zastosowaniach. Tworzy on
podstaw

ę

wszystkich systemów sieci miejscowych (ang. Fieldbus), ale niestety nie jest standardowo

przewidziany prawie w

ż

adnym komputerze. Pracuje on z przetwornikiem interfejsu.

USB (ang. Universal Serial Bus) jest wielostronny, szybki i samo-konfiguruj

ą

cy si

ę

, tak

ż

e nadaje si

ę

on

szczególnie dobrze dla ci

ą

gle wymienianych urz

ą

dze

ń

.

Firewire (iLink, IEEE 1392) jest odpowiedni szczególnie dla szybkich aplikacji (video, przetwarzanie obrazów,
szybkie pomiary).

Karta PC jest wsuwana w odpowiednie gniazdo (zł

ą

cze) komputera. W takiej karcie mo

ż

e si

ę

znajdowa

ć

cała

elektronika urz

ą

dzenia (np. modem, przetwornik A/C).

Magistrala IEC (GPIB, IEC-625, IEEE-488) znajduje zastosowanie przede wszystkim w laboratoryjnej technice
pomiarowej. Dysponuje ona takimi funkcjami, które ułatwiaj

ą

sterowanie urz

ą

dzeniami pomiarowymi (Trigger,

wywoływanie u

ż

ytkownika, globalne informacje).

Interfejs na

ś

wiatło podczerwone IrDa umo

ż

liwia prac

ę

bezprzewodow

ą

na małe odległo

ś

ci. Jest on stosowany

cz

ę

sto w przeno

ś

nych urz

ą

dzeniach do programowania i testowania.

Nieczuły na

zakłócenia,

bardzo szybki

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

ą

,

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

ą

,

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

ą

,

niezawodna

transmisja danych

Nieczuły na

zakłócenia,

z magistral

ą

,

niezawodna

transmisja danych

Własno

ś

ci

Urz

ą

dzenia

peryferyjne PC

Urz

ą

dzenia

peryferyjne PC.

Sieci Fieldbus

w automatyzacji

Urz

ą

dzenia

peryferyjne PC i

do automatyzacji

Urz

ą

dzenia

peryferyjne PC i

do automatyzacji

Urz

ą

dzenia

pomiarowe

Zastosowania

2 Mbit/s

10 Mbit/s

19,2 kbit/s

19,2 kbit/s

Maksymalna
szybko

ść

transmisji

Nadajnik/odbiornik

Nadajnik/ odbiornik

1/15

1/10

1/1

1/1

Liczba uczestników
dla interfejsu

16:

8 - dane,

3 - Handschake,

5 - kontrola

2 (3):

2 - dane,
1 - masa

4 (5):

2 - nadawanie,

2 - odbieranie

(1- masa)

Min. 3:

2 - dane,
1 - masa

4

Liczba przewodów

2 m ... 30 m

1200 m

1200 m

30 m

1000 m

Maksymalna długo

ść

przewodów

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Asynchroniczna,

pełny duplex

Mo

ż

liwe rodzaje

transmisji

+5 V/ - 5 V

+5 V/ - 5 V

+15 V/ -15 V

Stany sygnału 0/ 1

5 V/ 0 V

+3 V .../ -3 V

+3 V .../ -3 V

+3 V .../ -3 V

20 mA/ 0 mA

IEEE488

RS485

RS422

RS232 (V.24)

TTY (20 mA)

Interfejs

równoległy

Interfejsy szeregowe

Własno

ś

ci standardowych interfejsów

background image

13

Rozwój cyfrowych układów scalonych

Wzrost stopnia integracji układów scalonych

-

> 10

5

ULSI

1990 -

Kompletne układy mikroprocesorowe, układy
specjalne

< 10

5

VLSI

1980 -

Mikroprocesor, pami

ę

ci RAM, ROM

300 - 3000

LSI

1970 - 1980

Liczniki, sumatory, . . .

30 - 300

MSI

1966 - 1970

Bramki, przerzutniki, . . .

3 - 30

SSI

1960 - 1965

Lampy elektronowe/ przeka

ź

niki/ tranzystory

-

dyskretna

1940 - 1960

Zespół, moduł, wyrób

Stopie

ń

integracji

(bramek/ chip)

Technika

Okres czasu

(rok)

Generacje układów i g

ę

sto

ść

upakowania

10

2

... 10

7

-

Układy scalone o du

ż

ej skali integracji

10 ... 10

5

Płytki, poł

ą

czenia na chip’ie

Proste układy scalone

10

-1

... 10

Płytki, dyskretne

Tranzystor

10

-3

... 10

-1

Chassis, dyskretne

Lampy elektronowe, przeka

ź

niki

Ilo

ść

elementów/cm

3

Wykonanie

Układ (element)

Układ scalony małej skali integracji
SSI (ang. small scale of integration
)

Układ scalony

ś

redniej skali integracji

MSI (ang. medium scale of integration

)

Układ scalony du

ż

ej skali integracji

LSI (ang. large scale of integration)

Układ scalony wielkiej skali integracji
VLSI (ang. very large scale of integration
)

Układ scalony ultrawielkiej skali integracji
ULSI (ang. ultra large scale of integration
)

Pomiar sygnałów

Wielko

ś

ci charakterystyczne układów pomiarowych

Sygnały elektryczne z elementów czujnikowych (sensorów) s

ą

dostarczane dalej do urz

ą

dze

ń

przetwarzaj

ą

cych (sterowników, regulatorów, komputerów itp.), lub te

ż

przekazywane jako dane np.

przez sie

ć

komunikacyjn

ą

. W zale

ż

no

ś

ci od rodzaju sygnałów rozró

ż

nia si

ę

wej

ś

cia urz

ą

dze

ń

:

• wej

ś

cia analogowe,

• wej

ś

cia cyfrowe (w tym binarne),

• wej

ś

cia licznikowe lub wej

ś

cia impulsowe.

Wej

ś

cia analogowe

Oprócz mierzonej wielko

ś

ci (napi

ę

cie, pr

ą

d, oporno

ść

, ładunek, pojemno

ść

) nale

ż

y równie

ż

uwzgl

ę

dni

ć

mo

ż

liwe zakresy pomiarowe, oporno

ść

wewn

ę

trzn

ą

(własn

ą

), czuło

ść

, rozdzielczo

ść

i dokładno

ść

. Je

ż

eli stosowane s

ą

czujniki z jednostk

ą

przetwarzaj

ą

c

ą

, to uzyskiwane sygnały

standardowe mo

ż

na wykorzysta

ć

w ró

ż

nych urz

ą

dzeniach.

Wej

ś

cia cyfrowe

Sygnały cyfrowe s

ą

opisywane ich szeroko

ś

ci

ą

(= liczba bitów) i poziomem sygnału (0V/ +10V, TTL,

CMOS, +/-12V). Za pomoc

ą

jednego bita mo

ż

na np. okre

ś

li

ć

stan przeł

ą

cznika (inicjatora). Je

ż

eli

wej

ś

cie jest zorganizowane w byte (= 8 bit), to warto

ść

sygnału przekazywana jest najcz

ęś

ciej jako

liczba dziesi

ę

tna lub heksadecymalna..

Wej

ś

cia impulsowe

Jako impuls okre

ś

la si

ę

krótkotrwał

ą

zmian

ę

pomi

ę

dzy dwoma stanami poziomu sygnału (napi

ę

cia).

Wej

ś

cie impulsowe reaguje na tak

ą

zmian

ę

. Ka

ż

dy impuls nadaje (zmienia) warto

ść

liczbow

ą

wewn

ę

trznego licznika. Nale

ż

y uwzgl

ę

dni

ć

niezb

ę

dn

ą

szybko

ść

zmiany oraz to, czy licznik reaguje na

zbocza dodatnie (narastanie) sygnału czy na zbocza ujemne (spadek), jak równie

ż

maksymalnie

dopuszczaln

ą

cz

ę

stotliwo

ść

impulsów.

background image

14

Komponenty
Poniewa

ż

sensory, aktuatory i procesory z oprogramowaniem przyczyniaj

ą

si

ę

do tego,

ż

e

z „czystego” układu mechanicznego tworzony jest system mechatroniczny, to s

ą

one okre

ś

lane jako

komponenty (składniki) mechatroniczne. Jednak nie zawsze wszystkie te komponenty musz

ą

by

ć

zawarte w systemie mechatronicznym.

Sensory (czujniki)
Wyraz „sensor” pochodzi od łaci

ń

skiego terminu „sensus” (czucie, wra

ż

liwo

ść

) i okre

ś

la technicznie

czujnik, którego zadaniem jest uzyskiwanie informacji. Sensory dostarczaj

ą

wa

ż

nych, mierzalnych

informacji o procesie i tym samym stanowi

ą

poł

ą

czenie z procesem do przetwarzania informacji.

Zadaniem sensorów w systemach mechatronicznych jest pomiar istotnych, opisuj

ą

cych system

fizycznych (nieelektrycznych) wielko

ś

ci mierzonych i przetwarzanie ich na sygnały elektryczne.

Uzyskiwane sygnały elektryczne pozostaj

ą

przy tym z wielko

ś

ciami mierzonymi w znanej,

najcz

ęś

ciej liniowej zale

ż

no

ś

ci. Ze wzgl

ę

du na szeroki zakres zastosowa

ń

sensorów, a szczególnie

ż

norodno

ść

mierzonych wielko

ś

ci, s

ą

one klasyfikowane

.

Podstaw

ą

klasyfikacji s

ą

mierzone

wielko

ś

ci, zasady działania sensorów, technologie wytwarzania, postacie sygnału, a tak

ż

e koszty.

Komponenty systemów mechatronicznych - sensory

Sygnał

Sygnał

wyj

ś

ciowy

wyj

ś

ciowy

Sensor inteligentny

Sensor zintegrowany

Sensor elementarny (prosty)

Czujnik

Przetwornik

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Procesor z

przetwornikiem

A/C

Nieelektryczny

sygnał mierzony

Elektryczny

sygnał mierzony

Normowany

analogowy

sygnał mierzony

Czujnik (sensor) jest urz

ą

dzeniem, w którym wielko

ść

fizyczna na wej

ś

ciu oddziałuje na

elektryczn

ą

wielko

ść

na wyj

ś

ciu. Je

ż

eli pomi

ę

dzy wielko

ś

ciami fizycznymi i wielko

ś

ci

ą

elektryczn

ą

istnieje

ś

cisła relacja (zale

ż

no

ść

), to wtedy za pomoc

ą

sensora mo

ż

na

elektrycznie mierzy

ć

ż

ne wielko

ś

ci fizyczne. Inne okre

ś

lenia czujnika to sensor,

przetwornik pomiarowy, dajnik sygnału.

Czujniki (sensory)

Czujnik

(sensor)

Wielko

ść

mierzona

Sygnał

wielko

ś

ci

mierzonej

Przykłady:

Temperatura

Termoelement

Napi

ę

cie

Temperatura

Pt100

Oporno

ść

Ci

ś

nienie

Czujnik ci

ś

nienia

Pojemno

ść

Siła

Czujnik piezoelektryczny

Ładunek

Pr

ę

dko

ść

obrotowa

Pr

ą

dnica tachometryczna

Napi

ę

cie, cz

ę

stotliwo

ść

Jasno

ść

Fotodioda

Pr

ą

d

background image

15

Znaczenie sensorów (czujników)

Stosowane w systemach automatyzacji urz

ą

dzenia do sterowania (regulacji) procesów takie jak

np. sterowniki (regulatory) mog

ą

spełnia

ć

swoje zadania tylko wtedy, gdy otrzymaj

ą

wymagane

dane (informacje) o stanie zespołów roboczych maszyny, urz

ą

dzenia lub procesu, takie jak np.

temperatura, poło

ż

enie, pr

ę

dko

ść

obrotowa.

Te Informacje (sygnały) wyst

ę

puj

ą

najcz

ęś

ciej jako wielko

ś

ci nie elektryczne, lecz np. jako droga,

k

ą

t, ci

ś

nienie, czy poziom cieczy, a wi

ę

c wielko

ś

ci fizyczne. Dlatego te

ż

, aby mogły by

ć

wykorzystane w sterowaniu, musz

ą

by

ć

one przetworzone na sygnały elektryczne. Do tego celu

słu

żą

sensory (czujniki). Sensory mierz

ą

nieelektryczne wielko

ś

ci fizyczne i przetwarzaj

ą

je na

sygnały elektryczne, np. napi

ę

cie.

Fizyczne wielko

ś

ci

mierzone

Przejmo-

wanie

Przetwarzanie

Długo

ść

, odległo

ść

Odkształcenie

Czas

Masa

Temperatura

Nat

ęż

enie

ś

wiatła

Pr

ę

dko

ść

liniowa

Pr

ę

dko

ść

k

ą

towa

Moment

Ci

ś

nienie

Grubo

ść

warstwy

Zdawanie

Wielko

ś

ci elektryczne

Napi

ę

cie

Energia

Oporno

ść

Pojemno

ść

Nat

ęż

enie pola

elektrycznego

Sensory dla systemów mechatronicznych

Sensory i zwi

ą

zane z nimi układy pomiarowe dostarczaj

ą

systemom mechatronicznym wa

ż

nych, mierzalnych

bezpo

ś

rednio informacji o procesie. Dlatego te

ż

s

ą

one istotnymi członami ł

ą

cz

ą

cymi pomi

ę

dzy procesem

a cz

ęś

ci

ą

przetwarzaj

ą

c

ą

informacje, tzn. urz

ą

dzeniem mikroelektronicznym. Szczególnie interesuj

ą

ce s

ą

tego

rodzaju sensory, które zbieraj

ą

np. wielko

ś

ci mechaniczne lub termiczne i tworz

ą

elektryczne sygnały mierzone.

Dlatego te

ż

z szerokiej dziedziny techniki pomiarowej zostanie dokonany tylko krótki przegl

ą

d istotnych dla

systemów mechatronicznych własno

ś

ci, rodzaju sygnałów i zasad działania sensorów.

Postacie sygnałów i interfejsy
Dostarczany przez sensor rodzaj sygnału zale

ż

y po pierwsze od zasady działania czujnika, a po drugie od dalszej

transmisji i przetwarzania sygnału. Rozró

ż

nia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce postacie sygnałów:

• analogowe amplitudowe sygnały mierzone,

• analogowe cz

ę

stotliwo

ś

ciowe sygnały mierzone,

• cyfrowe sygnały mierzone.

W analogowych amplitudowych sygnałach amplituda jest proporcjonalna do wielko

ś

ci mierzonej, natomiast

w analogowych cz

ę

stotliwo

ś

ciowych sygnałach cz

ę

stotliwo

ść

jest proporcjonalna do wielko

ś

ci mierzonej,

a w sygnałach cyfrowych wielko

ść

mierzona jest kodowana w postaci sygnałów binarnych szeregowych lub

równoległych.

Własno

ś

ci ró

ż

nych postaci sygnałów dla pomiaru wielko

ś

ci

proste, z mikrokomputerem

ograniczone

bardzo ograniczone

Operacje obliczeniowe

proste

proste (licznik impulsów)

przetwor. analog.-cyfrowy

Dopasowanie do komputera

prosta (optoizolator)

prosta (przy transmisji)

du

ż

e nakłady

Separacja galwaniczna

mała

mała

ś

rednia/ du

ż

a

Wra

ż

liwo

ść

na zakłócenia

ogranicz. przez próbkow.

ograniczony przez przetwarz.

bardzo szybki

Przebieg dynamiczny

ogranicz. długo

ś

ci

ą

słowa

du

ż

a

du

ż

a

Dokładno

ść

statyczna

Cyfrowy

Analogowy-cz

ę

stotliwo

ś

ciowy

Analogowy - amplitudowy

background image

16

Sensory (czujniki) – budowa, działanie, przykład

Sensory (czujniki) przetwarzaj

ą

mierzone wielko

ś

ci fizyczne lub chemiczne w sygnały elektryczne.

Sygnał w tym sensie jest zale

ż

n

ą

od czasu fizyczn

ą

lub chemiczn

ą

wielko

ś

ci

ą

stanu (np. ci

ś

nienie,

temperatura, siła, itp.) jako no

ś

nik informacji.

Funk

cjonalnie

sensor składa si

ę

z:

elementu czujnikowego, który zamienia wielko

ść

mierzon

ą

na sygnał elektryczny oraz

• układu przetwarzania sygnału, który dostarcza znormalizowanego sygnału wyj

ś

ciowego.

Układom elektronicznym do przetwarzania sygnałów stawia si

ę

wysokie wymagania. Realizuj

ą

one zwykle

nast

ę

puj

ą

ce funkcje: wzmacnianie, linearyzacja, kompensacja temperatury, powi

ą

zanie sygnałów oraz

przetwarzanie sygnału na posta

ć

analogow

ą

lub cyfrow

ą

.

Element

czujnikowy

Przetwornik

Sygnał

pomiarowy

Wielko

ść

mierzona

Sygnał

elektryczny

Znormalizowany

sygnał wyj

ś

ciowy

Sensor elementarny

Przetwarzanie sygnału

Membrana

Przetwornik

piezo-

elektryczny

Wzmacnianie

Kompensacja

Linearyzacja

Funkcje

samotestowania

Korekcje

Interfejs

Ci

ś

nienie

Odkształcenie

membrany

Sygnał

elektryczny

Znormalizowany

sygnał wyj

ś

ciowy

Czujnik ci

ś

nienia - przykład

Sensor elementarny

Podział sensorów ze wzgl

ę

du na sygnały i informacje

Sygnał

analogowy

Sygnał

binarny

Sygnał

cyfrowy

Rodzaj sygnału

Sensor z interfejsem

sieciowym

Mo

ż

liwo

ś

ci systemu

Sensor

elementarny

Sensor

zintegrowany

Sensor

inteligentny

Funkcjonalno

ść

Sensor bez interfejsu

sieciowego

Kryterium

Kryterium

Własno

ś

ci

Własno

ś

ci

background image

17

Rodzaje sensorów (czujników)

Ze wzgl

ę

du na du

żą

ż

norodno

ść

sensorów konieczna jest ich klasyfikacja.

W zale

ż

no

ś

ci od stopnia integracji elementu czujnikowego z przetwarzaniem sygnału rozró

ż

nia si

ę

:



sensory elementarne (proste),



sensory zintegrowane,



sensory zaawansowane (inteligentne).

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ś

ciowy

Sensor

elementarny

Element

czujnikowy

Przygotowanie

sygnału

(np. wzmacnianie,

filtracja, przetwarzanie

analogowo-cyfrowe)

Jednostka

przetwarzaj

ą

ca

(np. mikroprocesor)

Sygnał

wej

ś

ciowy

Wielko

ść

elektryczna

Sygnał

elektryczny

Przetwor-

nik

Ogólna budowa sensora

Sensor zintegrowany

Sensor zintegrowany

Element czujnikowy

Przygotowanie sygnału

Jednostka

przetwarzaj

ą

ca

Sygnał

elektryczny

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ś

ciowa

Sygnał

wej

ś

ciowy

Element czujnikowy

z przetwornikiem

Sensor zintegrowany

Sensor zintegrowany

Przygotowanie sygnału

Sygnał

wej

ś

ciowy

Elektryczna

wielko

ść

wyj

ś

ciowa

Element czujnikowy

Element czujnikowy

z przetwornikiem

Sensor zaawansowany (inteligentny)

Sensor zaawansowany (inteligentny)

Jednostka przetwarzaj

ą

ca

Przygotowanie sygnału

Stopnie rozwoju sensorów

Sensor elementarny

Sensor zintegrowany

Sensor inteligentny

Zbieranie

sygnału

Przetwarzanie

sygnału

Ocena

sygnału

Przetworzenie

wielko

ś

ci fizycznych

w elektryczne

Kondycjonowanie

Linearyzacja

Filtrowanie

Diagnostyka bł

ę

dów,

Nadzorowanie max, min,

Przeliczanie,

Przył

ą

czenie magistrali

background image

18

Budowa czujnika inteligentnego (zaawansowanego)

EPROM

Element

czujnikowy

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

(A/C)

Mikrokom-

puter

Interfejs

sieciowy

Wyj

ś

cie

analogowe

Zasilanie

Przetwarzanie

Przetwarzanie

wielko

ś

ci

wielko

ś

ci

mierzonej

mierzonej

Zbieranie

Zbieranie

wielko

ś

ci

wielko

ś

ci

mierzonej

mierzonej

Poł

ą

czenie

Poł

ą

czenie

systemowe

systemowe

Przebieg sygnału w sensorze charakteryzuj

ą

nast

ę

puj

ą

ce etapy:

Przebieg sygnału w sensorze charakteryzuj

ą

nast

ę

puj

ą

ce etapy:

1. Przekształcanie sygnału mierzonej wielko

ś

ci fizycznej w jedn

ą

z wielko

ś

ci po

ś

rednich (np. siły na odkształcenie).

2. Przetworzenie mechaniczno-elektryczne na sygnał elektryczny za

pomoc

ą

elementu przetwornikowego, przy wykorzystaniu ró

ż

nych

zjawisk fizycznych (opór elektryczny, indukcyjno

ść

, piezoelektryczno

ść

).

3. Przetworzenie elektrycznego sygnału za pomoc

ą

układu

elektronicznego w celu: wzmocnienia sygnału, kompensacji waha

ń

punktu zerowego (dryft zera), odfiltrowania sygnałów zakłócaj

ą

cych,

linearyzacji sygnału pomiarowego, dopasowania zakresu pomiarowego
oraz normowania sygnału wyj

ś

ciowego.

4. Przetworzenie analogowego sygnału pomiarowego na posta

ć

cyfrow

ą

za pomoc

ą

przetwornika analogowo-cyfrowego.

5. Zintegrowanie komputera w obudowie inteligentnego sensora pozwala

na dalsz

ą

obróbk

ę

sygnału pomiarowego w celu: nadzorowania danych

pomiarowych, wyzwalania alarmów przy stanach granicznych sygnału,
komunikacji z innymi urz

ą

dzeniami (np. sterownik) itp.

Etapy przetwarzania sygnału w sensorze

background image

19

Ogólne wymagania dotycz

ą

ce sensorów:

Ogólne wymagania dotycz

ą

ce sensorów:



jednoznaczne odwzorowanie wielko

ś

ci wej

ś

ciowej w wielko

ść

wyj

ś

ciow

ą

,



nieczuło

ść

na oddziaływania innych czynników ni

ż

mierzona

wielko

ść

, w tym na zakłócenia elektromagnetyczne,



liniowo

ść

charakterystyki pomiarowej,



normalizacja sygnału wyj

ś

ciowego (sygnały analogowe: 0 ...

+5 V, -5 ... +5 V, -10 ... +10 V oraz p

ę

tla pr

ą

dowa 0 ... 20 mA lub

4 ... 20 mA; sygnały cyfrowe z interfejsami: Centronics, RS232,
RS485; lub systemy sieciowe: Profibus, Interbus, CAN, ASI,
Ethernet, ...),



łatwe zasilanie pr

ą

dem (np. +5 V, +24 V),



mo

ż

liwo

ść

kontroli sprawno

ś

ci działania (np. dioda

ś

wiec

ą

ca,

zdalne odpytywanie, własne nadzorowanie sensora).

Wymagania stawiane sensorom

Wielko

ś

ci do pomiaru

Wielko

ś

ci do pomiaru

(wej

ś

ciowe):

(wej

ś

ciowe):



Długo

ść



K

ą

t



Pr

ę

dko

ść



Przyspieszenie



Siła



Ci

ś

nienie



Nat

ęż

enie przepływu



Temperatura



Wilgotno

ść



D

ź

wi

ę

k



Promieniowanie



Koncentracja (st

ęż

enie)



Nat

ęż

enie pola magnetycznego

Wielko

ś

ci uzyskiwane

Wielko

ś

ci uzyskiwane

w pomiarach (wyj

ś

ciowe):

w pomiarach (wyj

ś

ciowe):



Pojemno

ść



Indukcyjno

ść



Oporno

ść

elektryczna



Czas



Cz

ę

stotliwo

ść



Pr

ą

d



Napi

ę

cie

Sensory – pomiar sygnałów

background image

20

Zamiana wielko

ś

ci fizycznych na elektryczne

E R Q dt C E dt F U

E U

R U

R U

W

mechaniczne

chemiczne

termiczne

magnetyczne

optyczne

p l v

ω

ωω

ω

pH %

T

B, H

γγγγ

1 2 3

4 5 6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Wielko

ś

ci wej

ś

ciowe:

p - ci

ś

nienie

l - droga, odległo

ść

v - pr

ę

dko

ść

liniowa

ω

ωω

ω

- pr

ę

dko

ść

k

ą

towa

(obrotowa)
pH
- koncentracja jonów
%
- st

ęż

enie,

koncentracja
T
- temperatura
B
- g

ę

sto

ść

przepływu

H - nat

ęż

enie pola

magnetycznego

γγγγ

- kwant

ś

wiatła

Uzyskiwana wielko

ść

elektryczna:

C – pojemno

ść

E – nat

ęż

enie pola

Q – sprz

ęż

enie

obwodu drgaj

ą

cego

R – oporno

ść

dt – odcinek czasu
U
– napi

ę

cie

W – energia
elektryczna

Zjawisko lub równanie

1 – zjawisko
piezoelektryczne
2 – tensometry
3 – oporno

ść

wskutek

pr

ą

dów wirowych

4 – pomiar drogi/ czasu
5 – pomiar pojemno

ś

ci

6 – pomiar nat

ęż

enia

pola Lorenz’a
7 – pomiar drogi/ czasu
8 – pomiar zjawiska
Doppler’a

przetwarzania:

9 – zasada
indukcyjno

ś

ci

10 – zmodyfikowane
równanie Nerntsche’a
11 – równanie
Nerntsche’a
12 – metale
13 – termoelement
14 – zjawisko
magnetostrykcji
15 – zjawisko Hall’a
16 – równowa

ż

no

ść

energii i masy

Klasyfikacja sensorów wg wielko

ś

ci fizycznych

- czujnik bezwładno

ś

ciowy (np.

ż

yroskop, czujnik przyspiesze

ń

)

Kierunek

- detekcja fotoelektryczna, wył

ą

czniki kra

ń

cowe, bariery

ś

wietlne

- odbiorniki mikrofalowe dla nawigacji satelitarnej (GPS)

Poło

ż

enie

- tarcze kodowe

K

ą

t

- rozwi

ą

zania potencjometryczne/ indukcyjne dla sygnałów analogowych

- rozwi

ą

zania przyrostowe/ bezwzgl

ę

dne dla sygnałów cyfrowych

- mechaniczne, indukcyjne lub pojemno

ś

ciowe czujniki zbli

ż

eniowe, sondy optyczne

- pomiary czasu przebiegu sygnału (radar, nawigacja satelitarna)

Długo

ść

/ droga

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci geometrycznych

- tensometry, zjawisko piezoelektryczne, zjawisko przyspieszenia na

ż

yroskopie

Przyspieszenie

- pomiar amplitudy za pomoc

ą

mikrofonu, przebiegi cz

ę

stotliwo

ś

ci/ czasu z licznikami

Drgania

- tachometr (zjawisko pr

ą

dów wirowych), optyczne pomiary długo

ś

ci w powi

ą

zaniu z

pomiarem czasu przebiegu sygnału, zjawisko Doppler’a, rurka Pito (gazy)

Pr

ę

dko

ść

(liniowa)

- pr

ą

dnica tachometryczna (pr

ą

dnica pr

ą

du stałego)

Pr

ę

dko

ść

obrotowa

- sondowanie zmiany oddziaływania magnetycznego aktywne (ruchomy magnes) lub bierne

(zmiana pola o wysokiej cz

ę

stotliwo

ś

ci)

Impulsy

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci zwi

ą

zanych z ruchem

- pomiar momentu oporu przy stałej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej lub pr

ę

dko

ś

ci elementu

mechanicznego w strumieniu cieczy

Lepko

ść

- pływak, pojemno

ś

ciowe, indukcyjne i ultrad

ź

wi

ę

kowe sondy poziomu

Poziom napełnienia

- przepływomierze (Coriolisa, ultrad

ź

wi

ę

kowe), liczniki obj

ę

to

ś

ci, cykliczne wa

ż

enie

Strumie

ń

/ nat

ęż

enie

przepływu

- urz

ą

dzenia wagowe, pomiary wolumetryczne

G

ę

sto

ść

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci zwi

ą

zanych z mas

ą

background image

21

- tensometry, rozety tensometryczne

Napr

ęż

enie

- membrany, ugi

ę

cie beleczek

- p. tak

ż

e czujniki do pomiaru siły

Ci

ś

nienie

- pomiar momentu z zastosowaniem tensometrów, wykorzystanie zjawiska

magnetostrykcyjnego, pomiar przesuni

ę

cia fazowego itp.

Moment
obrotowy

- ugi

ę

cia spr

ęż

yste, tensometry, zjawisko piezorezystancyjne (półprzewodniki), zjawisko

piezoelektryczne (kwarc, ceramika piezoelektryczna)

Siła

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci zwi

ą

zanych z sił

ą

- detekcja promieniowania w pa

ś

mie podczerwieni (diody na podczerwie

ń

), układy CCD

(Charge couples devices), pirometry

Promieniowanie

- poł

ą

czenie pomiarów nat

ęż

enia przepływu z pomiarem ró

ż

nicy temperatur

Ilo

ść

ciepła

- termoelementy (siła termoelektryczna STE)

- termometr oporowy

- termostat, zabezpieczenia termiczne z efektem bimetalicznym itp.

Temperatura

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci zwi

ą

zanych z ciepłem

Klasyfikacja sensorów wg wielko

ś

ci fizycznych c.d.

- wymienione wy

ż

ej sensory w kombinacji ze spektrometrem, zestawami filtrów

Widmo

- ogniwa fotoelektryczne, ogniwa słoneczne, reakcje chemiczne (np. papier fotoczuły),

wzmacniacz

ś

wiatła, CCD, kamery TV

Energia

ś

wietlna

Sensory do pomiaru wielko

ś

ci zwi

ą

zanych z e

ś

wiatłem

Systematyka sensorów wg technologii

Sensory w

Sensory w

mechatronice

mechatronice

Stykowe

Stykowe

Bezstykowe

Bezstykowe

Siła/ moment

Siła/ moment

Wieloskładowy sensor

siły/ momentu

Sensor pomiaru siły

chwytania

Aktywne chwytaki

monta

ż

owe

RCC

IRCC

Dotykowe

Dotykowe

Wył

ą

cznik

Pomiar odległo

ś

ci

Sonda wierszowa

Sonda macierzowa

Wył

ą

cznik

powierzchniowy

Sensor po

ś

lizgu

Wideo

Wideo

-

-

optyczne

optyczne

Sensor wierszowy

Przetwarzanie obrazów

(binarne, poziom
szaro

ś

ci)

Przetwarzanie obrazów

3D (stereo)

Przetwarzanie obrazów z

aktywnym o

ś

wietleniem

Optyczne

Optyczne

Bariery

ś

wietlne

Odbicia

ś

wiatła

Pomiar odległo

ś

ci

Skaner 2D

Skaner 3D

Sensor przekroju

ś

wietlnego

Optyczny sensor korelacji

Ultrad

ź

wi

ę

kowe

Ultrad

ź

wi

ę

kowe

Wył

ą

cznik zbli

ż

eniowy

Bariery d

ź

wi

ę

kowa

Pomiar odległo

ś

ci

Skaner

Akustyczny sensor

korelacji

Indukcyjne, pojemno

ś

ciowe,

Indukcyjne, pojemno

ś

ciowe,

magnetyczne

magnetyczne

i piezoelektryczne

i piezoelektryczne

Wył

ą

cznik zbli

ż

eniowy

Pomiar odległo

ś

ci

Rozpoznawanie spoiny

Analiza drga

ń

Pozostałe

Pozostałe

Mikrofalowe

Pneumatyczne

Radioaktywne

Chemiczne

background image

22

Pomiary sygnałów

Wielko

ś

ci

fizyczne

Sygnał

elektryczny

Sygnał

standardowy

Kod cyfrowy

sygnału

Pakiet

danych

cyfrowo

analogowo

temperatura

0 ... 10 V

protokół Modbus

binarnie

TCP/IP

4 ... 20 mA

napi

ę

cie

siła

cz

ę

stotliwo

ść

sygnału

10 mV/ K

liczba stałoprzec.

protokół Profibus

ASCII

ładunek

pr

ę

dko

ść

obrotowa

TC

mV

4 ... 20 mV

A

/

C

10010010

NIC

Adr. Data Check

Czujnik

podstawowy

Kondycjono-

wanie sygnału

Przetwornik

analogowo-

cyfrowy

Interfejs

magistrali lub

sieciowy

Przykłady:

mechan. wył. kra

ń

c.

filtr

dwójkowy

Bluetooth

sterownik magistrali

przetwornik Flash

wzmacnianie

termoelement

piezokryształ

dopasowanie

przetwornik stopniowy

karta interfejsu

adapter sieci

8-bitowy A/C

ograniczanie

tensometry

Sensory

Sensory mo

ż

na

klasyfikowa

ć

klasyfikowa

ć

wg ró

ż

nych

kryteriów

kryteriów. Takimi kryteriami mog

ą

by

ć

np.:



rodzaj mierzonej wielko

ś

ci,



wykorzystane zjawisko fizyczne,



rodzaj sygnału wyj

ś

ciowego,



zakres pomiarowy,



rozdzielczo

ść

,



wymiary itp.

Sensory mog

ą

pracowa

ć

na zasadzie

stykowej

stykowej lub

bezstykowej

bezstykowej, mog

ą

one by

ć

czynne

czynne

(aktywne) lub

bierne

bierne (pasywne).

W sensorach aktywnych elektryczny sygnał wyj

ś

ciowy powstaje bez dostarczania

dodatkowej energii pomocniczej (zasilania) dzi

ę

ki samemu działaniu wielko

ś

ci

mierzonej. Natomiast sensory bierne wymagaj

ą

dostarczania dodatkowej energii, aby

uzyska

ć

z nich sygnał elektryczny.

Sensory mog

ą

mie

ć

ż

n

ą

odporno

ść

na działanie warunków

ś

rodowiska (mediów,

zakłóce

ń

, itp.).

Aby na podstawie sygnałów wej

ś

ciowych (pokazanych wcze

ś

niej) uzyska

ć

sygnały

wyj

ś

ciowe, stosowane s

ą

ż

ne zjawiska (efekty) fizyczne. Dlatego te

ż

rozró

ż

nia si

ę

sensory: pojemno

ś

ciowe, indukcyjne, rezystancyjne (oporowe), piezoelektryczne,

magnetooporowe, termoelektryczne, piezoelektryczne, ultrad

ź

wi

ę

kowe,

wykorzystuj

ą

ce zjawisko Hall’a itd.

Sensory – pomiar sygnałów

background image

23

Ogólny podział czujników wg zasady działania

Potencjometrycznie - przez przesuwanie suwaka potencjometrycznego zmienia si

ę

oporno

ść

.

W ten sposób mo

ż

na mierzy

ć

np. drog

ę

, przemieszczenie, k

ą

t, lub poziom napełnienia.

Tensometry mierz

ą

na zasadzie zmiany oporno

ś

ci małe odkształcenia (spr

ęż

yste) obci

ąż

onego

elementu. W ten sposób mo

ż

na mierzy

ć

np. sił

ę

, ci

ś

nienie, przyspieszenie i napr

ęż

enia

w materiałach.

Rezystancyjnie - szczególnie materiały półprzewodnikowe zmieniaj

ą

swoj

ą

oporno

ść

w zale

ż

no

ś

ci

od działaj

ą

cych wielko

ś

ci fizycznych. W ten sposób mo

ż

na mierzy

ć

np. temperatur

ę

, pole

magnetyczne i elektryczne, promieniowanie

ś

wietlne i radioaktywne.

Pojemno

ś

ciowo - zmiany odległo

ś

ci płytek (okładzin) kondensatora lub własno

ś

ci dielektryka

powoduj

ą

zmian

ę

pojemno

ś

ci. Na tej zasadzie mo

ż

na mierzy

ć

poło

ż

enie, grubo

ść

warstwy,

ci

ś

nienie lub wilgotno

ść

.

Indukcyjne - indukcyjno

ść

cewki lub sprz

ęż

enia pomi

ę

dzy cewkami mo

ż

na zmienia

ć

przez

przesuwanie rdzenia ferromagnetycznego. Przy szybkich ruchach mo

ż

na wykorzysta

ć

indukowane

napi

ę

cie. W ten sposób mo

ż

na mierzy

ć

np. poło

ż

enie, pr

ę

dko

ść

, drgania lub d

ź

wi

ę

ki.

Efekt piezoelektryczny - okre

ś

lone kryształy przy

ś

ciskaniu lub rozci

ą

ganiu wytwarzaj

ą

na swojej

powierzchni ładunek elektryczny. Na tej zasadzie mo

ż

na mierzy

ć

np. sił

ę

, ci

ś

nienie

i przyspieszenie, przede wszystkim przy szybkich zmianach (dynamicznych) wielko

ś

ci.

Efekt Seebeck’a - w miejscu styku dwóch ró

ż

nych przewodników elektrycznych powstaje napi

ę

cie

(STE) zale

ż

ne od temperatury. To zjawisko jest podstaw

ą

budowy termoelementów i pirometrów.

Zjawisko fotoelektryczne - metale i półprzewodniki reaguj

ą

na padaj

ą

c

ą

na nie wi

ą

zk

ę

ś

wiatła

uwalnianiem elektronów. Na tej zasadzie mierzy si

ę

promieniowanie elektromagnetyczne (

ś

wiatło),

tak

ż

e w zakresie niewidzialnym.

Sensory aktywne (czynne) i pasywne (bierne)

Sensory aktywne

Sensory aktywne

Przetwarzanie energii

G

Efekt
termoelektryczny

Efekt
fotoelektryczny

Efekt
piezoelektryczny

Zasada
elektrodynamiczna

Sensory pasywne

Sensory pasywne

Zmiana własno

ś

ci elektrycznych

Oporno

ść

Indukcyjno

ść

Sprz

ęż

enie

indukcyjne

Pojemno

ść

background image

24

Tensometry – czujniki oporowe

Osłona

Obwód pomiarowy

No

ś

nik

Przył

ą

cze

Aktywna

długo

ść

R

R +

∆∆∆∆

R

R -

∆∆∆∆

R

Rozci

ą

ganie

Ś

ciskanie

Budowa tensometru

+

ττττ

+

ττττ

-

ττττ

-

ττττ

(+)

εεεε

+

ττττ

- napr

ęż

enia styczne

(rozci

ą

ganie)

-

ττττ

- napr

ęż

enia styczne

(

ś

ciskanie)

M

M – moment obrotowy

(+)

εεεε

(-)

εεεε

εεεε

- odkształcenie

wzgl

ę

dne

(-)

εεεε

˜

R+

∆∆∆∆

R

R-

∆∆∆∆

R

R+

∆∆∆∆

R

R-

∆∆∆∆

R

Pełny mostek

Kontaktrony

Rurka szklana

Ferromagnetyczna

płytka

Ko

ń

cówka

Wewn

ą

trz gaz

oboj

ę

tny lub pró

ż

nia

Styk przeł

ą

cznika

Budowa kontraktronu

Dane techniczne kontaktronu (przykład):

- moc znamionowa

0 do 50 W

- napi

ę

cie zał

ą

czania (DC)

0 do 500 V

- pr

ą

d zał

ą

czania

0 do 1.5 A

- pr

ą

d stały

0 do 2.5 A

- napi

ę

cie niszcz

ą

ce (DC)

100 do 700 V

Przeł

ą

czanie magnesem

Przeł

ą

czanie cewk

ą

Pr

ą

d stały DC (ang. Direct current)

background image

25

Wył

ą

czniki kra

ń

cowe

Zastosowanie

Zastosowanie

Nadzorowanie:
drzwi, okien, klap, obrabiarek
(wykrywanie skrajnych
poło

ż

e

ń

zespołów roboczych)

Termostat bimetaliczny i dwustanowa regulacja temperatury

Nastawianie

temperatury zadanej

Przył

ą

cza

elektryczne

Magnes

Rdze

ń

ż

elazny

Paski bimetalowe

Z materiału o mniejszej
rozszerzalno

ś

ci cieplnej

Z materiału o wi

ę

kszej

rozszerzalno

ś

ci

Termostat bimetaliczny

Binarne sensory (czujniki) temperatury s

ą

cz

ę

sto

budowane jako termostaty bimetaliczne. Przy
nagrzewaniu paska zło

ż

onego z dwóch metali o ró

ż

nej

rozszerzalno

ś

ci cieplnej nast

ę

puje jego wygi

ę

cie i

rozł

ą

czenie styku. Magnes umo

ż

liwia uzyskanie

histerezy – styk otwiera si

ę

przy innej temperaturze ni

ż

zamyka.

Przykład termobimetalu: FeNi36 (inwar) - FeNi20Mn6
Jednostkowe odkształcenie: 28,5 10

-6

K

-1

Dopuszczalne napr

ęż

enie zginania: 200 N/mm

2

Przewodno

ść

cieplna:

13 W/ m K

Jednostkowa oporno

ść

elektryczna: 0,78 10

-6

m

G

ę

sto

ść

: 8,1 10

3

kg/m3

Zadajnik temperatury

Magnes

Bimetal

Grzałka

Ciepło

Binarne sensory temperatury s

ą

stosowane do regulacji

temperatury w elektrycznych urz

ą

dzeniach grzewczych

(płyty grzejne,

ż

elazka, ogrzewanie mieszka

ń

) oraz

ochrony termicznej np. silników elektrycznych.

Du

ż

a ró

ż

nica

przeł

ą

czania

Mała ró

ż

nica

przeł

ą

czania

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

ϑϑϑϑ

Bezwładno

ść

cieplna

Czas t

background image

26

Tarcza kodowa

Liniał kreskowy

Resolwer

Potencjometr

Potencjometr liniowy

Suwak

Ś

cie

ż

ka

oporowa

Sonda

pomiarowa

Liniał kodowy

Zasada budowy przetworników pomiaru poło

ż

enia

Przetworniki pomiarowe zamieniaj

ą

elektryczne analogowe amplitudowe sygnały z wyj

ś

cia sensora na

odpowiednie inne sygnały elektryczne. Nale

żą

do nich nie wzmacniaj

ą

ce obwody pomiarowe takie jak np.:

• przetwornik pr

ą

d-napi

ę

cie z opornikiem pomiarowym,

• dzielnik napi

ę

cia, dzielnik pr

ą

du,

• przetwornik oporno

ść

-pr

ą

d,

• układy kompensacyjne do pomiaru napi

ę

cia, pr

ą

du lub oporno

ś

ci (mostki pomiarowe) z dodatkowymi

ź

ródłami

napi

ę

cia (zasilania).

Wzmacniacze pomiarowe słu

żą

do tego,

ż

eby najcz

ęś

ciej słabe energetycznie analogowe sygnały wyj

ś

ciowe

z sensorów zamieni

ć

na sygnały o wy

ż

szej energii, która jest niezb

ę

dna dla dalszych składników obwodu

pomiarowego, takich jak np. układy do transmisji, filtry, urz

ą

dzenia wska

ź

nikowe, lub mocniejszych sygnałów

standardowych (np. 0...10 V, 0...20 mA).

Pomiar drogi
Czujniki rezystancyjne
s

ą

oparte na zale

ż

nej od drogi zmianie oporno

ś

ci elektrycznej. S

ą

one wykonywane jako

potencjometry na bazie przewodz

ą

cych pr

ą

d elektryczny tworzyw sztucznych (cz

ęś

ciowo tak

ż

e potencjometry

drutowe) i wł

ą

czane jako dzielniki napi

ę

cia.

Oferowane s

ą

ż

ne rodzaje rozwi

ą

za

ń

liniowych

i obrotowych czujników rezystancyjnych (równie

ż

wieloobrotowych, np. 10 obrotowe). W sensorach liniowych
zakres pomiarowy zawiera si

ę

od kilku mm do ok. 2 m.

Hermetyczna obudowa umo

ż

liwia ich zastosowanie

równie

ż

w surowych warunkach otoczenia. Prowadnice

zapewniaj

ą

konieczny, wolny od działania siły poprzecznej,

ruch suwaka. Rozdzielczo

ść

sensora wykonanego

z przewodz

ą

cego tworzywa jest bardzo du

ż

a (np. 0,01 mm

dla 100 mm odcinka pomiarowego). Dla zapewnienia
dokładno

ś

ci wa

ż

ne jest bardzo dokładne napi

ę

cie zasilania.

Sensory rezystancyjne – pomiar drogi

Ś

cie

ż

ka

oporowa

Suwak

Ś

cie

ż

ka

stykowa

Ś

cie

ż

ka stykowa

Ś

cie

ż

ka

oporowa

Rowki
korek-

cyjne

background image

27

Czujniki indukcyjne

Zmiany indukcyjno

ś

ci własnej lub wzajemnej w zale

ż

no

ś

ci od poło

ż

enia dajnika s

ą

wykorzystywane

w sensorach indukcyjnych. W rozwi

ą

zaniach dławikowych czujników indukcyjnych wskutek zmian szczeliny

powietrznej ulega zmianie indukcyjno

ść

dławika. Aby uzyska

ć

zbli

ż

on

ą

do liniowej charakterystyk

ę

stosowane

s

ą

dławiki ró

ż

nicowe w układach mostkowych.

Indukcyjny czujnik drogi

Transformatory ró

ż

nicowe wykorzystuj

ą

zmian

ę

indukcyjno

ś

ci wzajemnej pomi

ę

dzy cewk

ą

pierwotn

ą

i wtórn

ą

wywołan

ą

przesuni

ę

ciem

ż

elaznego rdzenia.

Uzwojenie pierwotne jest zasilane sygnałem
z cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

no

ś

n

ą

, a ró

ż

nica napi

ę

cia

w uzwojeniu wtórnym tworzy sygnał wyj

ś

ciowy zale

ż

ny

od drogi. Czujniki indukcyjne pracuj

ą

ce w sposób

bezstykowy maj

ą

zakres pomiarowy od ułamków mm

do ok.1 m. Ponadto s

ą

stosowane rozwi

ą

zania

czujników do pomiaru poło

ż

enia k

ą

towego (resolwery

indukcyjne).

Cewka

Rdze

ń

Rdze

ń

ferrytowy

Pr

ę

t mosi

ęż

ny

Cewki ró

ż

nicowe

Demodulator

Demodulator

≈≈≈≈

Ruchomy

rdze

ń

Oscylator

Czuło

ść

Punkt

zerowy

U

wy

Cewki

Integracja indukcyjnego czujnika

drogi w układzie pomiarowym

Resolwer – pomiar poło

ż

enia k

ą

towego

Sygnał stojana

Sygnał wirnika

u

1

K

ą

t obrotu

Stojan

Wirnik

Resolwery s

ą

stosowane do dokładnego

pomiaru k

ą

ta obrotu i s

ą

one zbudowane

podobnie do małych elektrycznych silników
synchronicznych. Uzwojenia statora s

ą

zasilane napi

ę

ciem przemiennym u

1

i u

2

.

Podczas obrotu wirnika w jego uzwojeniach
indukowany jest sygnał u

x’

który jest

przesuni

ę

ty w fazie o k

ą

t

α

x

wzgl

ę

dem

sygnału zasilania.

background image

28

Przykłady przetworników obrotowo-impulsowych

(enkoder’ów optycznych)

Budowa i działanie enkodera optycznego

Wałek

Ś

cie

ż

ka/ kanał

t

H

L

H

L

Do tyłu

Do przodu

Zero

Ś

cie

ż

ka A

Ś

cie

ż

ka B

Ło

ż

yska

Fotoelementy

Tarcza kodowa

LED

Znak odniesienia

Siatka formuj

ą

ca

background image

29

Czujniki pojemno

ś

ciowe i kodowane

W czujnikach pojemno

ś

ciowych wskutek zmian

odległo

ś

ci płytek (okładzin), powierzchni płytek

lub dielektryka zmienia si

ę

pojemno

ść

kondensatora. Układ pomiarowy, podobnie jak
w czujnikach indukcyjnych, zwykle składa si

ę

z mostka zasilanego pr

ą

dem przemiennym,

który ze wzgl

ę

du na mał

ą

pojemno

ść

jest

zasilany sygnałem o wysokiej cz

ę

stotliwo

ś

ci

no

ś

nej (0,5 ... 1 MHz).

Pojemno

ś

ciowy czujnik drogi z mostkiem zasilanym pr

ą

dem

przemiennym

Czujniki poło

ż

enia z kodowaniem

W kodowanych metodach pomiaru drogi na liniale kodowym
lub tarczy kodowej s

ą

umieszczone dyskretne informacje

o poło

ż

eniu. Przyporz

ą

dkowanie to jest bezwzgl

ę

dne

(absolutne).
Do kodowania s

ą

cz

ę

sto stosowane kody jednokrokowe (np.

kod Gray’a), które s

ą

najcz

ęś

ciej odczytywane optycznie.

Nakłady zwi

ą

zane z budow

ą

takich czujników s

ą

wzgl

ę

dnie

du

ż

e, poniewa

ż

koniecznych jest n

ś

cie

ż

ek pomiarowych,

aby mo

ć

rozró

ż

ni

ć

2n

ż

nych dyskretnych poło

ż

e

ń

.

Praktyczne zastosowanie takie sensory maj

ą

głównie

w technikach wytwarzania, np. obrabiarkach sterowanych
numerycznie.

Tarcza kodowa 12-bitowego sensora do

pomiaru poło

ż

enia k

ą

towego (kod Gray’a)

Izo-

lacja

Metal

Metal

Droga

2

3

2

2

2

1

2

0

g

3

g

2

g

1

g

0

Kod dwójkowy (binarny)

Kod Gray’a

Optyczne metody pomiaru przemieszcze

ń

Liniały kodowe do pomiaru

przemieszcze

ń

liniowych

U

1

U

2

s

Przyrostowy układ pomiaru długo

ś

ci

Tarcza przyrostowego przetwornika

obrotowo-impulsowego

Tarcza kodowa bezwzgl

ę

dnego

przetwornika poło

ż

enia k

ą

towego

background image

30

Tarcza enkodera absolutnego do pomiaru

poło

ż

enia k

ą

towego

Ultrad

ź

wi

ę

kowy czujnik odległo

ś

ci

Ultrad

ź

wi

ę

kowy czujnik odległo

ś

ci jest cz

ę

sto stosowany np. do pomiaru poziomu paliwa

w baku samochodów. Krótkie impulsy (niesłyszalne) d

ź

wi

ę

kowe (np. f=150 kHz) s

ą

wysyłane,

odbijaj

ą

si

ę

od powierzchni paliwa i s

ą

znowu odbierane przez czujnik. Na podstawie pomiaru

czasu pomi

ę

dzy wysłaniem i odbiorem impulsu (czas przebiegu) jest okre

ś

lana odległo

ść

.

Odbijaj

ą

ca powierzchnia powinna by

ć

mo

ż

liwie gładka. Ciecze nadaj

ą

si

ę

do tego bardzo

dobrze, natomiast materiały sypkie cz

ę

sto nie odbijaj

ą

tak dobrze sygnałów ultrad

ź

wi

ę

kowych

oraz powoduj

ą

ich rozpraszanie w ró

ż

nych kierunkach. Warto

ść

mierzona zale

ż

y od pr

ę

dko

ś

ci

rozchodzenia si

ę

d

ź

wi

ę

ku w medium (np. powietrze, para) pomi

ę

dzy czujnikiem i powierzchni

ą

odbijaj

ą

c

ą

fal

ę

ultrad

ź

wi

ę

kow

ą

i dlatego te

ż

jest ona równie

ż

zale

ż

na np. od temperatury,

ci

ś

nienia i wilgotno

ś

ci.

Ultrad

ź

wi

ę

kowe czujniki drogi s

ą

np. stosowane do automatycznego pomiaru odległo

ś

ci

w aparatach fotograficznych i kamerach (dalmierz) , a tak

ż

e do wspomagania parkowania

w samochodach (sonary).

Pier

ś

cie

ń

aluminiowy

Powierzchnia
odbijaj

ą

ca fale

Przedmiot

Impuls ultrad

ź

wi

ę

k.

Kryształ
piezo-
elektr.

background image

31

Cechy ultrad

ź

wi

ę

kowych czujników odległo

ś

ci

Zalety:



Wykrywaj

ą

wi

ę

cej rodzajów obiektów ni

ż

którykolwiek z pozostałych

trzech (nieomal wszystko)



Du

ż

y zakres odległo

ś

ci – wi

ę

kszy ni

ż

dla czujników indukcyjnych

i pojemno

ś

ciowych, do ok. 10 m



Du

ż

a trwało

ść

, praktycznie niesko

ń

czona liczba cykli pracy



Odporne na trudne warunki

ś

rodowiskowe



Niska cena

Wady:



„Martwa strefa” blisko czujnika – nie mog

ą

wykrywa

ć

bliskich obiektów



Nie mog

ą

wykrywa

ć

małych obiektów



Gładkie powierzchnie musz

ą

by

ć

umieszczone prostopadle do

czujnika, w przeciwnym razie echo nie wróci do niego



Niezbyt du

ż

a dokładno

ść

(0.1÷2% zakresu pomiarowego)



Niezbyt du

ż

a pr

ę

dko

ść

obiektu

Schemat blokowy czujnika ultrad

ź

wi

ę

kowego

Cykl pracy czujnika ultrad

ź

wi

ę

kowego

Czujniki ultrad

ź

wi

ę

kowe

background image

32

Inicjatory - czujniki binarne (dwustanowe)

Wielko

ść

wej

ś

ciowa

S

y

g

n

a

ł

z

c

z

u

jn

ik

a

ZAŁ

WYŁ

1

0

ż

nica

przeł

ą

czania

Przeł

ą

cznik

Pr

ę

t spr

ęż

ysty

Stykowy czujnik binarny

Bezstykowe czujniki zbli

ż

eniowe (pojemno

ś

ciowe, indukcyjne, optyczne i ultrad

ź

wi

ę

kowe) maj

ą

elektronicznie sterowane wyj

ś

cie sygnału i nie zawieraj

ą

podlegaj

ą

cych zu

ż

yciu ruchomych cz

ęś

ci

mechanicznych. S

ą

one stosowane np. jako wył

ą

czniki kra

ń

cowe w obrabiarkach, a tak

ż

e do

zliczania przedmiotów na ruchomych ta

ś

mach.

Sensory binarne s

ą

czujnikami z dwustanowym wyj

ś

ciem sygnałów (0/1), np. sygnał przeł

ą

czenia

ZAŁ/WYŁ, napi

ę

cie 0 V/ 10 V, pr

ą

d 0 mA/ 20 mA.

Binarne czujniki mog

ą

by

ć

urz

ą

dzeniami elektromechanicznymi stykowymi, albo te

ż

bezstykowymi elektronicznymi czujnikami zbli

ż

eniowymi. Cech

ą

charakterystyczn

ą

czujników

binarnych jest wyst

ę

powanie ró

ż

nicy pomi

ę

dzy zał

ą

czeniem i wył

ą

czeniem (histereza).

Przykłady stykowych

czujników binarnych

ą

czników drogowych,

wył

ą

czników kra

ń

cowych)

Ogólna klasyfikacja bezstykowych czujników

zbli

ż

eniowych (inicjatorów drogowych)

Bezstykowe czujniki zbli

ż

eniowe

Bezstykowe czujniki zbli

ż

eniowe

Indukcyjne

Indukcyjne

Pojemno

ś

ciowe

Pojemno

ś

ciowe

Pneumatyczne

Pneumatyczne

Optyczne

Optyczne

Ultrad

ź

wi

ę

kowe

Ultrad

ź

wi

ę

kowe

Akustyczne

Akustyczne

Izotopowe

Izotopowe

Z oddziaływaniem na pole

Z oddziaływaniem na pole

Z transmisj

ą

energii

Z transmisj

ą

energii

background image

33

Odbicia styków,
niedopuszczalny w
przemy

ś

le

ś

rodków

spo

ż

ywczych i

chemicznym, zu

ż

ycie

Niska cena, odporny, mały,
nie jest podatny na
oddziaływanie obcych pół,
nie wymaga zasilania w
energi

ę

Zał

ą

cza przez r

ę

czne

uruchomienie lub
układ d

ź

wigniowy

Mechaniczny

Zagro

ż

enie zu

ż

yciem

spr

ęż

yn styków, ochrona

przed impulsami
pr

ą

dowymi przez człony

RC

Odpowiedni dla surowych
warunków otoczenia,
wysoka

ż

ywotno

ść

,

odpowiedni do
zastosowania w obwodach z
wysok

ą

cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

Trwały magnes
pobudza przez dwa
styki spr

ęż

yste

kra

ń

cowy wył

ą

cznik

zbli

ż

eniowy (styk

reed)

Magnetyczny

60 mm ÷ 6 m

Powolny, nie mo

ż

na go

stosowa

ć

przy

nadci

ś

nieniu i

podci

ś

nieniu jak równie

ż

w

obszarach zagro

ż

onych

wybuchem

Nieczuły na kurz,
zabrudzenie i

ś

wiatło,

rozpoznawanie
najmniejszych obiektów
przy du

ż

ej odległo

ś

ci

Ocenia czas
przebiegu odbitego
impulsu
ultrad

ź

wi

ę

kowego i

okre

ś

la odległo

ść

do

obiektu

Ultrad

ź

wi

ę

kowy

ok. 2 m

Wra

ż

liwy na zabrudzenie i

oddziaływanie obcych

ź

ródeł

ś

wiatła, konieczne

zasilanie w energi

ę

Działa na wszystkie
materiały, du

ż

e odległo

ś

ci

Zał

ą

cza, gdy obiekt

powoduje odbicie
strumienia

ś

wiatła

podczerwonego

Fotoelektryczny

20mm ÷ 40 mm

Małe odległo

ś

ci od

obiektu, wi

ę

ksze gabaryty

ni

ż

porównywalne sensory

indukcyjne

Wysoki stopie

ń

ochrony

(IP67), działa na wszystkie
materiały; nieczuły na
zabrudzenia

Zał

ą

cza, gdy obiekt

powoduje zakłócenie
pola elektrycznego
sensora

Pojemno

ś

ciowy

1 mm ÷ 150 mm

Tylko obiekty z metalu lub
grafitu, nie jest
odpowiedni w przypadku
zwi

ę

kszonego spływu

wiórów metalowych

Wysoki stopie

ń

ochrony

(IP67), bardzo wysoka
dokładno

ść

punktu

zał

ą

czania

Zał

ą

cza, gdy obiekt

powoduje zakłócenie
pola magnetycznego
sensora

Indukcyjny

Odległo

ść

detekcji

Wady

Zalety

Zasada działania

Typ sensora

Zestawienie cech charakterystycznych inicjatorów drogowych

Przykłady sensorów - inicjatory

Czujniki przeł

ą

czaj

ą

ce (binarne) zwane tak

ż

e inicjatorami maj

ą

na wyj

ś

ciu tylko dwa stany

sygnału. Okre

ś

la si

ę

je tak

ż

e jako wył

ą

czniki warto

ś

ci granicznej lub wył

ą

czniki kra

ń

cowe. Sygnał

wyj

ś

ciowy przyjmuje najcz

ęś

ciej dwa poziomy (0V / 5V). Dla wyj

ść

typu PNP wzgl. NPN jako

przeł

ą

cznik jest do dyspozycji tranzystor, dzi

ę

ki czemu mo

ż

na uzyskiwa

ć

równie

ż

inne warto

ś

ci

napi

ęć

lub wi

ę

ksze warto

ś

ci pr

ą

du wskutek zewn

ę

trznego zasilania.

Mechaniczny wył

ą

cznik kra

ń

cowy otwiera i zamyka mechaniczny styk wskutek zewn

ę

trznego

działania (siły).

Kontaktron składa si

ę

z dwóch cienkich pasków metalowych (styków), które s

ą

umieszczone w

rurce szklanej. Wskutek oddziaływania pola magnetycznego styki te przemieszczaj

ą

si

ę

i stykaj

ą

.

Wył

ą

cznik bimetaliczny składa si

ę

z dwóch na stałe poł

ą

czonych pasków metalowych o ró

ż

nych

współczynnikach rozszerzalno

ś

ci cieplnej. Paski te zakrzywiaj

ą

si

ę

przy zmianach temperatury

powoduj

ą

c otwieranie lub zamykanie styku elektrycznego.

Bariera (kurtyna)

ś

wietlna zmienia stan swojego sygnału wyj

ś

ciowego wskutek przerwania lub

odsłoni

ę

cia wi

ą

zki

ś

wiatła.

Pojemno

ś

ciowy czujnik zbli

ż

eniowy reaguje na zmiany pola elektrycznego wskutek dielektryka

lub materiału w obszarze jego działania. Powoduj

ą

one zmiany pojemno

ś

ci kondensatora i tym

samym obwodu drgaj

ą

cego (oscylatora).

Indukcyjny czujnik zbli

ż

eniowy reaguje na zmiany pola magnetycznego wskutek metalu (tak

ż

e

grafitu). Powoduje to zmian

ę

indukcyjno

ś

ci cewki i tym samym rozstrojenie obwodu oscylatora, co

prowadzi do zmiany stanu przerzutnika i sygnału wyj

ś

ciowego.

Ultrad

ź

wi

ę

kowy czujnik zbli

ż

eniowy reaguje na zmiany mocy odbitej fali ultrad

ź

wi

ę

kowej (np.

100 kHz) wskutek obecno

ś

ci ciał stałych lub powierzchni cieczy.

background image

34

Budowa cylindrycznego indukcyjnego czujnika

zbli

ż

eniowego (przekrój wzdłu

ż

ny)

Indukcyjne czujniki zbli

ż

eniowe o budowie cylindrycznej maj

ą

obudow

ę

wykonan

ą

z tworzywa

sztucznego lub ze stali. W przedniej, aktywnej powierzchni czołowej znajduje si

ę

układ cewek

z rdzeniem ferrytowym, które s

ą

osłoni

ę

te tulejk

ą

z tworzywa sztucznego. W

ś

rodku znajduje si

ę

układ elektroniczny umieszczony na płytce lub obwodzie cienkowarstwowym. Dioda
elektroluminescencyjne LED słu

ż

y do wskazywania stanu przeł

ą

czenia czujnika. Obudowa jest

zamkni

ę

ta pokrywk

ą

, w której umieszczony jest kabel przył

ą

czeniowy. Całe wn

ę

trze czujnika jest

zalane mas

ą

z tworzywa sztucznego.

Cewka

Pasta ochronna

Masa

wypełniaj

ą

ca

LED

LED

Pier

ś

cie

ń

uszczelniaj

ą

cy typu „O”

Rdze

ń

ferrytowy

Układ scalony (IC)

Zamocowanie

Wspornik

Obudowa

Zamocowanie

Tulejka z tworzywa

sztucznego

Budowa cylindrycznego indukcyjnego czujnika

zbli

ż

eniowego

Element pobudzaj

ą

cy (metal, grafit)

Rdze

ń

ferrytowy

Cewka

Układ przetwarzaj

ą

cy (IC)

Obwód drgaj

ą

cy

Linie pola magnetycznego

Q

Q

background image

35

Schemat blokowy indukcyjnego czujnika zbli

ż

eniowego

Sprawdzanie działania indukcyjnego czujnika

zbli

ż

eniowego

S – odległo

ść

detekcji,

S

n

– znamionowa odległo

ść

detekcji

S = 0,3÷0,4 S

n

Mied

ź

S = 0,4÷0,5 S

n

Aluminium

S = 0,50 S

n

Mosi

ą

dz

S = 0,85 S

n

Nikiel

S = 0,85 S

n

V2A (stal
nierdzewna)

S = 1,1 S

n

ś

eliwo

Warto

ś

ci

współczynnika

korekcyjnego

Rodzaj materiału

Współczynniki korekcyjne odległo

ś

ci

detekcji dla indukcyjnych czujników

zbli

ż

eniowych dla ró

ż

nych materiałów

elementów pobudzaj

ą

cych

background image

36

Pojemno

ś

ciowe czujniki zbli

ż

eniowe

Ekranowanie

Elektroda czujnika

Element

pobudzaj

ą

cy

Czujniki pojemno

ś

ciowe (np. zbli

ż

eniowe), podobnie jak czujniki indukcyjne, pracuj

ą

w sposób

bezstykowy. Uzupełniaj

ą

one ten obszar zastosowa

ń

, w którym nie mo

ż

na wykorzysta

ć

indukcyjnej zasady działania. Za pomoc

ą

czujników pojemno

ś

ciowych mo

ż

na wykrywa

ć

równie

ż

materiały nie przewodz

ą

ce pr

ą

du elektrycznego. S

ą

oferowane głównie pojemno

ś

ciowe czujniki

zbli

ż

eniowe, ale s

ą

tak

ż

e takie czujniki, które mierz

ą

odległo

ść

i na wyj

ś

ciu dostarczaj

ą

sygnał

analogowy.
Aktywny element czujnika pojemno

ś

ciowego składa si

ę

z kr

ąż

kowej elektrody i kubkowego

ekranowania. Te dwie elektrody tworz

ą

kondensator z podstawow

ą

pojemno

ś

ci

ą

C

P

. Wskutek

zbli

ż

ania elementu pobudzaj

ą

cego do powierzchni czujnika (odległo

ść

S) zmienia si

ę

pojemno

ść

o warto

ść

C

S

. Kondensator jest cz

ęś

ci

ą

składow

ą

obwodu generatora RC (oscylatora). Jego

napi

ę

cie wyj

ś

ciowe jest zale

ż

ne od całkowitej pojemno

ś

ci C = C

P

+

C

S

pomi

ę

dzy elektrod

ą

czujnika i potencjałem ekranu.

W czujniku zbli

ż

eniowym sygnał wyj

ś

ciowy

z generatora jest prostowany, filtrowany i przez
stopie

ń

ko

ń

cowy ze wzmacniaczem

i przerzutnikiem jest wyprowadzany na wyj

ś

cie.

W takich czujnikach wyst

ę

puj

ą

dwa stany

sygnałów: pobudzony i niepobudzony (1 lub 0).

Element

pobudzaj

ą

cy

S

Ekranowanie

Elektroda

˜˜˜

˜˜˜

Filtr

Prostownik

Generator

Wzmacniacz

Czuło

ść

pojemno

ś

ciowego czujnika zbli

ż

eniowego wynika ze zmiany pojemno

ś

ci

C

S

wskutek oddziaływania

elementu pobudzaj

ą

cego, która powoduje przeł

ą

czenie sygnału wyj

ś

ciowego czujnika. Istotny wpływ na

pojemno

ść

, oprócz odległo

ś

ci S i powierzchni elektrod, ma równie

ż

stała dielektryczna

εεεε.

Dlatego te

ż

w zale

ż

no

ś

ci od materiału elementu pobudzaj

ą

cego, przy czym mog

ą

to by

ć

równie

ż

ciecze lub materiały

sypkie, za pomoc

ą

współczynnika redukcyjnego nale

ż

y uwzgl

ę

dni

ć

zmian

ę

warto

ś

ci stałej dielektrycznej,

która ma istotny wpływ na odległo

ść

przeł

ą

czania. Wzorcowym elementem pobudzaj

ą

cym jest uziemiona

płytka o grubo

ś

ci 1mm wykonana ze stali St37, dla której uzyskuje si

ę

znamionow

ą

odległo

ść

przeł

ą

czania S

n

,

a warto

ść

współczynnika korekcyjnego wynosi 0. Oznacza to,

ż

e np. materiały ceramiczne s

ą

przez czujnik

pojemno

ś

ciowy lepiej rozpoznawane ani

ż

eli stalowe.

1 2 5 10

20 50 100 200

Stała dielektryczna e

r

W

s

p

ó

łc

z

y

n

n

ik

r

e

d

u

k

c

y

jn

y

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0

O

le

j

L

ó

d

P

V

C

C

e

ra

m

ik

a

S

z

k

ło

A

lk

o

h

o

l

W

o

d

a

Aby móc wyrówna

ć

ż

norodne

odległo

ś

ci detekcji za pomoc

ą

współczynnika redukcyjnego dla

ż

nych materiałów, w niektórych

typach czujników pojemno

ś

ciowych

istnieje mo

ż

liwo

ść

justowania punktu

przeł

ą

czania. Nale

ż

y jednak przy tym

zawraca

ć

uwag

ę

na to,

ż

eby dla

niezawodnego działania czujnika
(inicjatora) nie nastawia

ć

zbyt du

ż

ej

odległo

ś

ci przeł

ą

czania, poniewa

ż

oscylator RC jest wtedy niestabilny.
Taki stan jest widoczny wskutek
zwi

ę

kszonej histerezy (h > 0,1·S

n

)

działania czujnika, tzn.

ż

e s

ą

ż

ne

punkty przeł

ą

czania przy zbli

ż

aniu i

oddalaniu elementu pobudzaj

ą

cego.

Pojemno

ś

ciowe czujniki zbli

ż

eniowe

background image

37

Przykłady pojemno

ś

ciowych

czujników zbli

ż

eniowych

O budowie

cylindrycznej

O budowie

pryzmatycznej

Budowa cylindrycznego pojemno

ś

ciowego czujnika

zbli

ż

eniowego (przekrój wzdłu

ż

ny)

Elektroda czujnika

Obudowa (tulejka)

Wspornik

Ekranowanie kubkowe (mosi

ą

dz)

Głowica

Histereza w czujnikach zbli

ż

eniowych

(indukcyjnych, pojemno

ś

ciowych)

background image

38

Schemat ideowy bariery

ś

wietlnej jednodrogowej

Czujniki optoelektroniczne

0,1

Karton, czarny

0,5

PVC

1,0 ÷ 1,8

Aluminium,
czarne

1,2 ÷ 1,8

Metal, gładki

1

Papier, biały

Warto

ść

współczynnika

korekcyjnego

Materiał

Warto

ś

ci współczynników korekcyjnych

odległo

ś

ci detekcji ró

ż

nych materiałów dla

ś

wiatła

podczerwonego w sondach optoelektronicznych

Schemat ideowy odbiciowej bariery

ś

wietlnej

Sposób działania retro-reflektorów

Przykład

jednodrogowej

bariery

ś

wietlnej

Masa sejsmiczna

Element
piezoelektryczny

Płytki kwarcowe

Elektroda

Pier

ś

cieniowa

obudowa

Gniazdo
wtykowe

Ś

cianki

obudowy

Podstawa

Piezoelektryczny

czujnik przyspiesze

ń

Piezoelektryczne

czujniki siły

Sensory piezoelektryczne przyspiesze

ń

i siły

background image

39

Pomiary przyspiesze

ń

Przyspieszenie mo

ż

na uzyska

ć

przez ró

ż

niczkowanie wyników pomiaru pr

ę

dko

ś

ci lub dwukrotne

ż

niczkowanie sygnału drogi. Jednak uwidacznia si

ę

tutaj najcz

ęś

ciej problem niewystarczaj

ą

cej

rozdzielczo

ś

ci w krótkich czasach pomiaru. Inne rozwi

ą

zania czujników do pomiaru przyspiesze

ń

opieraj

ą

si

ę

na pomiarach siły w układzie spr

ęż

yna-masa. Dla przyspieszenia a masy m sił

ą

F jest zale

ż

no

ść

a = F / m. Sił

ę

F mo

ż

na zmierzy

ć

bezpo

ś

rednio za pomoc

ą

piezoelektrycznego czujnika siły. Ze wzgl

ę

du na du

żą

sztywno

ść

spr

ęż

yny czujnika piezoelektrycznego mo

ż

na uzyska

ć

wysokie cz

ę

stotliwo

ś

ci drga

ń

własnych (np. 100 kHz).

Nowe rozwi

ą

zania czujników do pomiaru przyspiesze

ń

s

ą

oparte na

zasadzie Ferraris’a. W takich czujnikach element dobrze przewodz

ą

cy

pr

ą

d elektryczny (wykonany z miedzi lub aluminium) porusza si

ę

wzgl

ę

dem cewki pomiarowej w stałym polu wzbudzenia, której rdze

ń

jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. Wskutek pr

ą

dów

wirowych w poruszaj

ą

cym si

ę

elemencie powstaje dodatkowe,

proporcjonalne do pr

ę

dko

ś

ci pole magnetyczne. Indukowane w cewce

pomiarowej napi

ę

cie jest zmian

ą

tego pola magnetycznego i tym

samym jest proporcjonalne do przyspieszenia.

Sensor przyspieszenia oparty na

pr

ą

dach wirowych (zasada Ferraris’a

)

Piezoelektryczny sensor

przyspieszenia

Piezoelektryczny

czujnik siły

Masa

Spr

ęż

yna

talerzowa

Płytka

z Cu

Mo

ż

liwo

ś

ci zastosowania pomiaru k

ą

ta (nachylenia) rozci

ą

gaj

ą

si

ę

od maszyn budowlanych (np. d

ź

wigów),

przez maszyny do budowy dróg, nadzorowanie statków, platform wiertniczych, kominów i masztów a

ż

do

regulacji robotów. Jako nachylenie okre

ś

la si

ę

wzgl

ę

dne poło

ż

enie w stosunku do kierunku poziomego lub

pionowego. Odchylenie od nich mo

ż

na mierzy

ć

za pomoc

ą

sensorów obrotu (np.

ż

yroskop) lub nachylenia.

Jako odniesienie przy takich pomiarach w czujnikach nachylenia, zwanych równie

ż

inklinometrami, wykorzystuje

si

ę

działaj

ą

c

ą

w miejscu pomiaru grawitacj

ę

(przyspieszenie ziemskie). W zasadzie taki sposób pomiaru

odpowiada okre

ś

laniu pionu, przy czym masa ukierunkowuje si

ę

wg pola grawitacyjnego. Mo

ż

e przy tym chodzi

ć

o wahadło mechaniczne, uginaj

ą

c

ą

si

ę

beleczk

ę

lub te

ż

tak jak w poziomnicy o ciecz przewodz

ą

c

ą

pr

ą

d

elektryczny.
Magnetooporowe inklinometry wykorzystuj

ą

zjawisko zmiany oporno

ś

ci elektrycznej przewodnika w zale

ż

no

ś

ci

od pola magnetycznego. W budowie czujnika nachylenia stosuje si

ę

wahadłowe zawieszenie dwóch magnesów

w pobli

ż

u dwóch elementów magnetooporowych. Elementy te tworz

ą

dzielnik napi

ę

cia. Dla poło

ż

enia 0°

magnesy s

ą

dokładnie w

ś

rodku. Je

ż

eli ten układ pochyli si

ę

, to zmienia si

ę

poło

ż

enie wzgl

ę

dem tych

elementów. Wskutek tego zmienia si

ę

oporno

ść

, co powoduje tak

ż

e zmian

ę

sygnału wyj

ś

ciowego

(proporcjonalnie do nachylenia).

Elektroda kolektora

Elektrody emitera

Łuk szklany

P

ę

cherzyk

gazu

P

ę

cherzyk

gazu

Ciecz

przewodz

ą

ca

Poziomnica

Inklinometr magnetooporowy

Olej silikonowy

Magnesy

E

le

m

e

n

ty

m

a

g

n

e

to

o

p

o

ro

w

e

F

o

li

a

w

a

h

a

d

ła

Inklinometr pojemno

ś

ciowy

Masa

sejsmiczna

Osłona

Zmiana pojemno

ś

ci

sprz

ęż

enie zwrotne

Elektrostatyczne

ASIC (ang. Application Specific
Integrated Circuit
)

Inklinometry – czujniki nachylenia

background image

40

Pomiar temperatury – termopara Pt100

W metalach oporno

ść

elektryczna wzrasta przy

zwi

ę

kszaniu temperatury.

Zale

ż

no

ść

ta jest nast

ę

puj

ą

ca:

RT = R0 * (1 +

αααα

* DT)

RT - oporno

ść

przy temperaturze T

R0 – oporno

ść

dla 0°C

α

αα

α

– współczynnik temperaturowy (stała materiałowa)

DT – zmiana temperatury

Pomiar oporno

ś

ci elektrycznej umo

ż

liwia okre

ś

lenie

panuj

ą

cej temperatury.W zastosowaniach praktycznych

najcz

ęś

ciej wykorzystuje si

ę

standardowe moduły,

których dane s

ą

zawarte np. w normie IEC 751.

I tak np. termopara typu Pt100 przy temperaturze 0°C ma
oporno

ść

1000

. Istniej

ą

ż

ne rodzaje budowy takich

termopar. Element pomiarowy jest umieszczony
w odpowiedniej, szczelnej obudowie, która ma
gwintowane przył

ą

cze.

Termoelementy

Przy pomiarach wysokich temperatur najcz

ęś

ciej stosowanymi czujnikami s

ą

termoelementy TC (ang.

Thermo Couple). S

ą

one tanie i zwarte w wytwarzaniu i wymagaj

ą

małych nakładów zwi

ą

zanych

z pomiarami.

Zjawisko termoelektryczne (efekt Seebeck’a): Je

ż

eli rozgrzeje si

ę

miejsce styku dwóch ró

ż

nych

metali, to wtedy powstaje mierzalne, zale

ż

ne od temperatury napi

ę

cie elektryczne. Ruchliwo

ść

elektronów w przewodnikach metalowych jest zale

ż

na zarówno od materiału jak i temperatury. Je

ż

eli

dwa metale s

ą

poł

ą

czone dla przewodzenia, to wtedy elektrony z jednego metalu przechodz

ą

do

drugiego. Ze wzgl

ę

du na ró

ż

n

ą

ruchliwo

ść

elektronów przej

ś

cia te nie wst

ę

puj

ą

równie cz

ę

sto. Po jednej

stronie powstaje nadmiar, a po drugiej niedobór elektronów. Wielko

ść

powstaj

ą

cego w ten sposób

napi

ę

cia jest zale

ż

na od obu materiałów i temperatury (napi

ę

cie termoelektryczne). Odnosz

ą

c warto

ś

ci

napi

ę

cia termoelektrycznego ró

ż

nych metali do platyny (Pt) otrzymuje si

ę

wzgl

ę

dny szereg napi

ę

ciowy

w [mV], tzn. odniesiony do ró

ż

nicy temperatur 1 K:

• krzem (Si)

+ 448

• chromonikiel (Cr-Ni)

+ 22

ż

elazo (Fe)

+ 18.8

• mied

ź

(Cu)

+ 7.5

• srebro (Sb)

+ 7.3

platyna (Pt)

+/- 0

• nikiel (Ni)

- 15

• kobalt (Co)

- 17

• konstantan

- 32

Styk metali

(miejsce pomiaru)

Miejsce

odniesienia

(zimny styk)

+

-

U

t

Przewody wyrównawcze

Termoelement

background image

41

Same współczynniki temperaturowe nie s

ą

ż

adnymi stałymi, lecz s

ą

zale

ż

ne od temperatury i dlatego s

ą

wa

ż

ne tylko dla małych zakresów temperatur. Dokładne przebiegi charakterystyk czuło

ś

ci termopar s

ą

zamieszczone w postaci tabel w normie. Wykorzystywane s

ą

nast

ę

puj

ą

ce typy termopar:

typ T

mied

ź

/ mied

ź

-nikiel (+ br

ą

zowy, - biały) [40mV/K] (-200°C do +600°C),

typ J

ż

elazo/ mied

ź

-nikiel (+ czarny, - biały) [51mV/K] (-200°C do +800 °C),

typ K

nikiel-chrom/ nikiel (+ zielony, - biały) [40mV/K] (0°C do 1200°C),

typ S

platyna10-rod/ platyna (+ pomara

ń

czowy, - biały) [7mV/K] (0°C do 1600°C),

typ E

nikiel-chrom/ mied

ź

-nikiel (+ fioletowy, - biały) [62mV/K] (-200°C do + 800°C).

Ponadto s

ą

jeszcze termopary zawarte w niemieckiej normie DIN 43760:

nikiel-chrom/ nikiel-aluminium (chromel/ alumel), jest prawie identyczna jak typ K,

typ U

mied

ź

/ mied

ź

-nikiel

typ L

ż

elazo/ mied

ź

-nikiel

Termopary (termoelementy) mierz

ą

zawsze tylko ró

ż

nic

ę

temperatur pomi

ę

dzy wła

ś

ciwymi miejscami

styku (miejsce pomiaru) i miejscem odniesienia, w którym znowu wyst

ę

puje jednolity materiał

przewodz

ą

cy (np. mied

ź

). Dlatego te

ż

s

ą

stosowane albo dwa termoelementy (metoda ró

ż

nicowa) lub

temperatura jest mierzona w urz

ą

dzeniu pomiarowym za pomoc

ą

termopary Pt100 (zewn

ę

trzna

kompensacja, ang. Cold Junction Terminal).

Termoelementy s

ą

tanie i niezawodne w produkcji, wymagaj

ą

pomiaru tylko jednego napi

ę

cia, s

ą

niezale

ż

ne od oporno

ś

ci przewodów, a w technikach procesowych s

ą

najcz

ęś

ciej stosowane w

wykonaniu z obudow

ą

, w której głowicy pomiarowej jest umieszczona cała elektronika i dostarczaj

ą

standardowych sygnałów.

Rodzaje termopar

Ze wzgl

ę

du na du

żą

ż

norodno

ść

sensorów konieczne jest przeprowadzenie ich klasyfikacji.

Kryteriami klasyfikacji sensorów s

ą

:



wielko

ś

ci mierzone,



zasada działania sensora,



technologia wykonania,



postacie sygnału, interfejsy,



obszary zastosowania,



własno

ś

ci, cechy charakterystyczne,



klasy jako

ś

ci,



koszty.

Ze wzgl

ę

dów aplikacyjnych wa

ż

ny jest taki podział sensorów, w którym wyst

ę

puj

ą

wielko

ś

ci mierzone (mechaniczne, termiczne, elektryczne, chemiczne i fizyczne), dla których

dobierana jest odpowiednia zasada działania sensora.

W układach mechatronicznych szczególne znaczenie maj

ą

takie sensory, które mierz

ą

wielko

ś

ci mechaniczne lub termiczne.

Działanie sensorów jest oparte na ró

ż

nych zasadach, w których wykorzystuje si

ę

wszelkiego

rodzaju zjawiska fizyczne. W niektórych przypadkach bezpo

ś

redni pomiar danej wielko

ś

ci jest

bardzo utrudniony lub wr

ę

cz niemo

ż

liwy. Wówczas stosuje si

ę

pomiar wielko

ś

ci po

ś

redniej,

która jest skutkiem działania wielko

ś

ci mierzonej.

Klasyfikacja sensorów

background image

42

Wielko

ś

ci mierzone za pomoc

ą

czujników (sensorów) dostarczaj

ą

informacji

o stanie procesu lub zespołu maszyny (urz

ą

dzenia).

Wa

ż

nymi czynnikami, które nale

ż

y uwzgl

ę

dni

ć

przy doborze sensorów

w okre

ś

lonych warunkach ich zastosowa

ń

s

ą

m.in.:

− dokładno

ść

,

− niezawodno

ść

i odporno

ść

na warunki

ś

rodowiska,

− szybko

ść

reakcji,

− wra

ż

liwo

ść

na działanie innych (ni

ż

mierzone) czynników,

− zachowanie w czasie zał

ą

czania oraz

− rozdzielczo

ść

.

W celu zapewnienia odporno

ś

ci sensora na działanie warunków otoczenia

(

ś

rodowiska) w którym jest on wykorzystywany, stosowane s

ą

odpowiednie

wykonania jego obudowy, co jest okre

ś

lane jako stopie

ń

ochrony IP (ang.

International Protected), np. IP56.

Natomiast w przypadku pomiarów szybkozmiennych wielko

ś

ci (np. ci

ś

nienia

w komorze spalania silnika spalinowego), sensor musi si

ę

odznacza

ć

odpowiednimi własno

ś

ciami dynamicznymi (pasmo przenoszenia).

Wymagania dotycz

ą

ce sensorów

Ogólne zasady doboru sensorów

Przy wyborze sensorów do okre

ś

lonej aplikacji nale

ż

y uwzgl

ę

dni

ć

szereg czynników takich jak:



Rodzaj wymaganego pomiaru, np. wielko

ść

mierzona, jej

warto

ść

znamionowa, zakres zmian warto

ś

ci wielko

ś

ci

mierzonej, wymagana dokładno

ść

, wymagana szybko

ść

pomiarów, wymagana niezawodno

ść

oraz warunki otoczenia

w których przeprowadzane s

ą

pomiary.



Wymagan

ą

posta

ć

wielko

ś

ci wyj

ś

ciowej (sygnału) z sensora,

która okre

ś

la wymagania dotycz

ą

ce zada

ń

przetwarzania

sygnału.



Nast

ę

pnie mo

ż

na rozpatrywa

ć

sensory z uwzgl

ę

dnieniem

takich czynników jak ich zakres działania, dokładno

ść

,

liniowo

ść

, szybko

ść

reakcji, niezawodno

ść

, trwało

ść

,

konieczno

ść

obsługi, wymagania dotycz

ą

ce zasilania

elektrycznego, zwarto

ść

budowy, dyspozycyjno

ść

i koszty.

background image

43

Obszar zastosowania sensorów jest okre

ś

lony ich statycznymi i dynamicznymi własno

ś

ciami

(wła

ś

ciwo

ś

ciami pomiarowymi) oraz mechanicznymi, cieplnymi i chemicznymi czynnikami

oddziałuj

ą

cymi. Ponadto, oprócz uwzgl

ę

dnienia aspektów technicznych, istotne znaczenie

maj

ą

wzgl

ę

dy ekonomiczne.

W wyniku selekcji wielu sensorów dokonywany jest wybór jednego sensora, który spełnia

minimalne wymagania zadania pomiarowego, przy uwzgl

ę

dnieniu aspektów technicznych

i ekonomicznych.

Dobór wła

ś

ciwego sensora dla układu mechatronicznego ma istotne znaczenie dla

poprawno

ś

ci działania tego układu i uzyskiwanych efektów.

Doboru sensora dokonuje si

ę

w siedmiu nast

ę

puj

ą

cych krokach:

1. Warunki pomiaru i ogólne wymagania dotycz

ą

ce sensora oraz wpływ otoczenia i

warunków ograniczaj

ą

cych.

2. Okre

ś

lenie mo

ż

liwych zasad działania sensora.

3. Sprawdzenie własno

ś

ci pomiarowych wybranych zasad działania.

4. Sprawdzenie dopuszczalnych bł

ę

dów wybranych zasad pomiaru wzgl. sensorów.

5. Sprawdzenie mocy sygnału sensora (moc elektryczna) wzgl. konieczno

ś

ci jego

zasilania.

6. Sprawdzenie czynników ekonomicznych i innych.

7. Okre

ś

lenie typu sensora.

Zasady doboru sensorów

Krok 1:

Krok 1: Warunki pomiaru i ogólne wymagania dotycz

ą

ce sensora oraz wpływ

otoczenia i warunków ograniczaj

ą

cych

Post

ę

powanie wykonywane w tym kroku ma na celu sprecyzowanie wymaga

ń

dotycz

ą

cych

sensora wzgl. układu pomiarowego. Dla ka

ż

dego przypadku zastosowania (aplikacji)

nale

ż

y rozpatrzy

ć

nast

ę

puj

ą

ce aspekty:



Gdzie b

ę

dzie zastosowany sensor?



Jak ci

ęż

kie s

ą

nast

ę

pstwa awarii sensora? (odpowiedzialno

ść

producenta za produkt)



Jakie wielko

ś

ci maj

ą

by

ć

mierzone?



Czy wielko

ś

ci mierzone maj

ą

charakter statyczny czy dynamiczny?



Jak wysokie s

ą

wymagania dotycz

ą

ce: powtarzalno

ś

ci, rozdzielczo

ś

ci, ustawiania punktu

zerowego, minimalnej i maksymalnej cz

ę

sto

ś

ci pomiarów?



Jakie panuj

ą

warunki otoczenia? (temperatura, wilgotno

ść

, ci

ś

nienie, przyspieszenie,

materiały chemiczne, czysto

ść

, ...)



Czy wyst

ę

puj

ą

elektryczne lub magnetyczne pola zakłócaj

ą

ce?



Jakiej wielko

ś

ci i masy nie powinien przekracza

ć

sensor?



Jak du

ż

a powinna by

ć

trwało

ść

sensora?



Czy wskazana jest mo

ż

liwo

ść

wymiany i kalibracji sensora?



Jak sensor b

ę

dzie wł

ą

czony w cały system mechatroniczny?

Zasady doboru sensorów – krok 1

background image

44

Krok 2:

Krok 2: Okre

ś

lenie mo

ż

liwych zasad działania sensora

Z wymaga

ń

dotycz

ą

cych sensora wynikaj

ą

mo

ż

liwe zasady jego działania. Mo

ż

liwe rodzaje pomiaru dla sensora

(fizyczne zasady jego działania) s

ą

silnie uzale

ż

nione od fizycznego charakteru wielko

ś

ci mierzonej oraz

spodziewanych czynników zakłócaj

ą

cych

.

Zasady doboru sensorów – kroki 2 - 4

Krok 3:

Krok 3: Sprawdzenie własno

ś

ci pomiarowych wybranych zasad działania sensora

W tej fazie doboru sensora uwzgl

ę

dnia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce czynniki:



zakres pomiarowy,



maksymaln

ą

zmian

ę

wielko

ś

ci mierzonej,



rozdzielczo

ść

sygnału pomiarowego,



warto

ść

progow

ą

(najmniejszy sygnał).

Krok 4:

Krok 4: Sprawdzenie dopuszczalnych bł

ę

dów wybranych zasad pomiaru wzgl

ę

dnie

sensorów

Całkowity bł

ą

d sensora jest okre

ś

lony jego własno

ś

ciami statycznymi i dynamicznymi, które nale

ż

y

sprawdzi

ć

. Własno

ś

ci statyczne takie jak: nieliniowo

ść

, histereza, termiczny dryft zera oraz zmiany

czuło

ś

ci spowodowane czynnikami termicznymi okre

ś

laj

ą

dokładno

ść

statycznych i quasi statycznych

pomiarów. Pomiary statyczne wymagaj

ą

dolnej cz

ę

stotliwo

ś

ci granicznej 0 Hz, natomiast pomiary quasi

statyczne w zale

ż

no

ś

ci od dynamiki procesu wymagaj

ą

dolnej cz

ę

stotliwo

ś

ci granicznej kilku Hz. Statyczny bł

ą

d

całkowity sensora w danych warunkach pomiaru nie mo

ż

e przekracza

ć

okre

ś

lonej warto

ś

ci (np. ± 5% warto

ś

ci

ko

ń

cowej zakresu pomiarowego). Sensory o dobrych własno

ś

ciach pomiarowych, tzn. gdy czas nastawiania

sensora jest znacznie mniejszy od czasu narastania sygnału, s

ą

wymagane dla szybkich dynamicznych

przebiegów sygnałów. Dzi

ę

ki temu sensor ma górn

ą

cz

ę

stotliwo

ść

graniczn

ą

o warto

ś

ci znacznie wi

ę

kszej ni

ż

najwy

ż

sza cz

ę

stotliwo

ść

składowej widmowej zawartej w sygnale. Dolna cz

ę

stotliwo

ść

graniczna sensora ze

wzgl

ę

du na zawarto

ść

składowej stałej w sygnale powinna wynosi

ć

0 Hz. Natomiast w przypadku pomiarów

czysto dynamicznych wielko

ś

ci mo

ż

na stosowa

ć

sensory o dolnej cz

ę

stotliwo

ś

ci granicznej wy

ż

szej od zera.

Krok 5:

Krok 5: Sprawdzenie mocy sygnału sensora (moc elektryczna) wzgl

ę

dnie konieczno

ś

ci

jego zasilania

W ramach oceny przeprowadzanej w tej fazie doboru sensora rozpatruje si

ę

potrzeb

ę

:



elektronicznego wzmocnienia sygnału pomiarowego,



ekranowania (kompatybilno

ść

elektromagnetyczna).

Zasady doboru sensorów – kroki 5 - 7

Krok 6:

Krok 6: Sprawdzenie czynników ekonomicznych i innych aspektów dotycz

ą

cych

sensora

Nast

ę

pnie ocenia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce czynniki dotycz

ą

ce wyboru sensora:



koszt zakupu/ wykonania sensora,



nakłady zwi

ą

zane z piel

ę

gnacj

ą

,



bezpiecze

ń

stwo pracy,



niezawodno

ść

,



trwało

ść

(

ż

ywotno

ść

).

Krok 7:

Krok 7: Okre

ś

lenie typu sensora

Na zako

ń

czenie procesu doboru sensora dokonuje si

ę

wyboru konkretnego typu sensora,

który zostanie zastosowany w budowanym układzie mechatronicznym.

background image

45

Znaczenie ró

ż

nych wymaga

ń

w konwencjonalnych czujnikach i sensorach

Sensor zamienia mierzon

ą

wielko

ść

fizyczn

ą

i jej zmiany na sygnał elektryczny i jego zmiany oraz

przetwarza go w taki sposób, aby mo

ż

na go było łatwo transmitowa

ć

i dalej przetwarza

ć

.

Bardzo po

żą

dane

-

Próbkowanie – zamiana
na posta

ć

cyfrow

ą

(digitalizacja)

Bardzo po

żą

dana

-

Zdolno

ść

integracyjna

Korygowalna

Zupełnie niedopuszczalna

Zale

ż

no

ść

od innych

czynników (wielko

ś

ci)

Mało wa

ż

na

Decyduj

ą

ca

Liniowo

ść

Przy digitalizacji mało
podatny na zakłócenia

Rozstrzygaj

ą

ca

Odporno

ść

na zakłócenia

Rozstrzygaj

ą

cy

Rozstrzygaj

ą

cy

Stosunek szumu
(zakłóce

ń

) do sygnału

Mało wa

ż

ny

Mo

ż

liwie wysoki

Poziom sygnału
wyj

ś

ciowego

Mo

ż

liwie małe

Mało istotne

Koszty

Sensor

Konwencjonalny czujnik

Cecha

Konwencjonalnymi

obszarami
zastosowania sensorów
s

ą

:



automatyzacja,



technika procesowa,



robotyka,



technika pomiarowa,



technika sterowania
i regulacji.

Jednak wraz z rosn

ą

c

ą

miniaturyzacj

ą

sensorów s

ą

one coraz

cz

ęś

ciej stosowane

tak

ż

e w innych

obszarach, takich jak
np. medycyna i ochrona

ś

rodowiska.

Obszary zastosowania sensorów

Inne obszary

Inne obszary

zastosowania

zastosowania

sensorów

sensorów

Technika

domowa i

klimatyzacyjna

Sprz

ę

t

gospodarstwa

domowego

Technika

medyczna

Samochody

Pojazdy

szynowe

Ochrona

ś

rodowiska

background image

46

Element czujnikowy (mierz

ą

cy) i przetwarzanie sygnałów w obecnych sensorach s

ą

obecnie

wbudowane w małej przestrzeni. W budowie sensorów wykorzystywane s

ą

technologie i do

ś

wiadczenia

stosowane w wytwarzaniu zminiaturyzowanych układów scalonych. Szczególnie du

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci w

budowie sensorów daje zastosowanie technologii mikrosystemów MEMS (ang. mechanical-elektro-
micro-system
).

Perspektywy rozwoju czujników (sensorów)

Nowe

Nowe

sensory

sensory

Materiał sensora:

Materiał sensora:

• ceramika,

• metale amorficzne,

• włókna optyczne

(

ś

wiatłowody),

• bio-składniki.

Technologie

Technologie

:

:

• techniki SMD I hybrydowe,

• technika projektowania IC,

• laserowe,

• mikroobróbka.

Koncepcja

Koncepcja

s

s

ensor

ensor

a:

a:

• mikrostruktury,

• transmitery typu

Smart,

• sensory inteligentne

(zaawansowane),

• układy

wielosensoryczne.

Kommunika

Kommunika

cja

cja

:

:

• technika 2-przewodowa,

• programowanie

okablowania,

• interfejsy,

• przył

ą

cze magistrali.

SMD

SMD (ang. Surface Mounted Device) – monta

ż

powierzchniowy

IC

IC (ang. Integrated circuit) – układ scalony


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8 Nieznany
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 1
Wstęp do MATLABA cz 1

więcej podobnych podstron