1

RODZAJE SYGNAŁÓW STOSOWANYCH W UKŁADACH MECHATRONICZNYCH

Ś

ledząc dowolny układ mechatroniczny obserwujemy przepływ informacji. Nośnikiem

informacji jest sygnał Sygnał jest to przebieg dowolnej wielkości fizycznej. Informacją może

być wartość sygnału lub charakter jego przebiegu. Ze względu na strukturę wyróżniamy

sygnały:

-

analogowe

-

cyfrowe

-

binarne

Sygnały analogowe są sygnałami o charakterze ciągłym, na przykład temperatura, wilgotność,

napięcie.

Informacja może być zawarta w wartości temperatury, wartości prądu, napięcia, częstotliwości.

W sygnałach cyfrowych (dyskretnych) informacja przyjmuje skończoną liczbę wartości, którym

przyporządkowane są symbole najczęściej liczby

W sygnałach binarnych występują tylko dwie wartości sygnału cyfrowego O i l.

Urządzenia pomiarowe wskazówkowe przedstawiają informacje w sposób analogowy (wychylenie

wskazówki jest proporcjonalne do wielkości mierzonej).

Urządzenia pomiarowe cyfrowe wskazują wartość liczbową mierzonej wielkości. W przypadku

sygnalizacji przekroczenia zakresu na przykład przez zapalenie diody sygnalizacyjnej mamy do

czynienia z sygnałem binarnym.

Sterowanie posuwem narzędzia skrawającego podczas toczenia na tokarce klasycznej jest

sterowaniem analogowym. Włączenie i wyłączenie tokarki jest sterowaniem binarnym.

W układach mechanicznych sygnały mogą mieć postać:

-

siły F = m a,

-

prędkości V,

-

przyśpieszenia a.

-

przesunięcia l

W układach elektrycznych sygnały najczęściej maj ą postać:

-

natężenia prądu i,

-

napięcia u.

W pneumatyce i hydraulice: — ciśnienia p,

- natężenia przepływu Q.

2

- przeprowadzanie samodiagnozy z możliwą samokorekty.

Układ mechaniczny za pomocą sensorów (czujników) uzyskuje informacje o otoczeniu.

Informacje te są przetwarzane i na tej podstawie układ sterujący wytwarza odpowiednie

sygnały,które działają na aktuatory (człony wykonawcze).

Zmierzone przez sensory wielkości są przetwarzane na postać cyfrową. Sygnał cyfrowy

doprowadzony jest do jednostki sterującej, która odpowiednio przetwarza sygnały wejściowe i

zgodnie ze swoim algorytmem wytwarza sygnały wyjściowe, których postać fizyczna i wartości

dopasowywane są do zastosowanego w urządzeniu układu wykonawczego.

Układem wykonawczym mogą być wszelkiego rodzaju siłowniki, silniki.

Jednostka centralna otrzymuje również sygnały z innych jednostek (system komunikacji), które

również mają wpływ na sygnały wyjściowe z jednostki sterującej. Sygnały z układów

3

wykonawczych wprowadzane są do układu podstawowego.

Ogólnie urządzenie mechatroniczne można określić jako programowalne urządzenia

elektromechaniczne wyposażone w czujniki i zespoły wykonawcze

RODZAJE SENSORÓW

W mechatronice istnieje wiele kryteriów podziału sensorów.

Jednym z nich jest podział ze względu na sygnał wyjściowy, gdzie można wyróżnić:

•

sensory analogowe

•

sensory binarne

•

sensory cyfrowe

Sensory analogowe

w sensorach analogowych każdej wartości z zakresu zmian mierzonej wielkości przyporządkowa-

ny jest określony sygnał wyjściowy.

Ciągłe i jednoznaczne przyporządkowanie może być liniowe lub nieliniowe. W praktyce pewne

nieciągłości w tej relacji mogą powstać wskutek sił tarcia, luzów itp. Przykładem sensora

analogowego jest potencjometr liniowy, którego działanie opiera się na zasadzie dzielnika

napięcia. Wielkością wejściową jest położenie x ślizgacza przetwarzane w sygnał napięciowy U

x

.

Sensory binarne

Sygnał wyjściowy w sensorze binarnym może przyjąć tylko dwa wzajemnie wykluczające się

stany, np. włączony / wyłączony, dla sygnału napięciowego O V / 24 V, a dla sygnału prądowego

OmA/20mAitp.

Stany dwuwartościowego sygnału są też oznaczane jako O / L lub O /l. Sensory

cyfrowe

Sygnał wyjściowy z sensora cyfrowego przedstawia wartość mierzonej wielkości w postaci usta-

lonego zestawu sygnałów binarnych.

Przedstawienie analogowej wielkości w postaci cyfrowej wiąże się z jej kwantyzacją i

kodowaniem.

Przykładem sensora cyfrowego jest zespól z tarczą kodową do pomiaru położenia kątowego.

CZUJNIKI ZBLIŻENIOWE

Czujniki zbliżeniowe są jednymi z najczęściej wykorzystywanych czujników w wielu urządzeniach

mechatronicznych, urządzeniach użytku domowego czy nawet w elementach zabezpieczeń budynków

4

jako kontrolujące otwarcie drzwi, okien itp.

.Najuic^uicj uu luu zaućui utuczy wykrycie i sygnalizacja ooeenosci ouieiuu oez Koiuaiuu

fizycznego z nim samym. Dla przykładu może to być produkt na taśmie przenośnika, dźwignia,

krańcowy element siłownika czy położenie bazowe jakiegoś napędu. Czujniki zbliżeniowe

stosowane w mechatronice są używane najczęściej we wszelkiego rodzaju maszynach pakujących,

drukujących i liniach technologicznych.

Zasada działania czujnika zbliżeniowego

Czujnik zbliżeniowy reaguje na zbliżanie się obiektu w momencie, gdy odległość między nimi jest

mniejsza od pewnej granicznej odległości, która zależy od konstrukcji i technologii wykonania.

Odległość ta może wynosić od 0,1 mm do kilku cm. Czujniki zbliżeniowe na wyjściu mają sygnał

binarny, a więc przyjmujący dwie wartości: zero lub jeden. Zmiana tych stanów następuje w

momencie reakcji na zbliżający się obiekt. Czujnik zbliżeniowy nie służy więc do określania

odległości między elementami pomiarowymi, a jedynie do wykrycia faktu zbliżenia jednego

elementu do drugiego.

Czujniki zbliżeniowe są czasami potocznie nazywanie czujnikami krańcowymi lub krańcówkami z

racji roli jakie często pełnią - np. wykrywają koniec (lub początek) ruchu jakiegoś elementu

napędowego. Z racji braku kontaktu z elementem wykrywanym czujniki zbliżeniowe wypierają

stosowane przez długi czas mechaniczne czujniki stykowe, które wykrywają zbliżenie poprzez

fizyczny kontakt z kontrolowaną powierzchnią. Największą zaletą czujnik zbliżeniowych w

stosunku do tradycyjnych czujników stykowych jest brak jakichkolwiek elementów mechanicznych

a, co za tym idzie praktycznie nie występuje zjawisko zużywania się takiego czujnika podczas

pracy.

Zalety czujników zbliżeniowych:

•

Bezkontaktowe działanie

•

Duża częstotliwość przełączania

•

Mała wrażliwość na wibracje

•

Odporność na wodę, zapylenie, wilgoć

Podział czujników zbliżeniowych

W zależności od konstrukcji i sposobu pracy można wyróżnić czujniki

•

Czujniki zbliżeniowe indukcyjne - działają na zasadzie indukowania pola magnetycznego

miedzy czujnikiem, a obiektem badanym i wykrywaniem zmian tego pola. Nadają się tylko

do detekcji obiektów metalowych.

•

Czujniki zbliżeniowe pojemnościowe - działają na zasadzie wykrywania zmian pojemności

5

między czujnikiem, a obiektem badanym. Mogą wykrywać większość ciał stałych, a także

cieczy.

•

Czujniki zbliżeniowe fotoelektryczne - działają na zasadzie generowania wiązki światła i jej

odbierania po odbiciu od badanego obiektu. Wykrywają obiekty

CZUJNIKI INDUKCYJNE - wygląd i zasada działania- reaguj ą na wprowadzenie metalu

w ich strefę działania.

1.

pole czujnika; 2. oscylator; 3. demodulator; 4. przerzutnik; 5. człon sterujący

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy działa na zasadzie zmiany swojego pola elektromagnetycznego

wskutek przemieszczania metalowego elementu. Zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez

czujnik wzbudza w przewodniku prąd wirowy oraz jeżeli jest ferromagnetykiem to magnesuje •

go. Oba zjawiska wpływają na zmianę parametrów drgań, zmniejszając w ten sposób amplitudę lub

częstotliwość drgań, zmiana ta jest rozpoznawana przez demodulator, następnie jeżeli czujnik ma

wyjście cyfrowe sygnał jest kształtowany przez przerzutnik.

6

CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE - zbliżeniowe reagują na wprowadzenie obiektu w ich strefę

działania.

Budowa czujnika pojemnościowego: l - oscylator, 2 - obwód detekcji, 3 - obwód wyjściowy, 4 -potencjometr
regulacyjny

Czujniki pojemnościowe mierzą zmianę pojemności pomiędzy czołem czujnika, a obiektem

wykrywanym. Układ czoło czujnika - obiekt tworzy kondensator , którego pojemność zależy przede

wszystkim od odległości pomiędzy jego okładzinami.

Kondensator ten jest elementem wpływającym na częstotliwość wbudowanego w czujnik

oscylatora. Gdy pojawia się obiekt przed czujnikiem, pojemność kondensatora wzrasta przez co

włącza się lub zmienia częstotliwość oscylatora. Zmiany tej częstotliwości są wykrywane przez

obwody detekcji i załączają wyjście czujnika.

Schematy wyprowadzeń jak w czujnikach indukcyjnych.

Czujniki fotoelektryczne - są elementami automatyki wykorzystującymi wiązkę światła do

wykrywania obiektów znajdujących się w zasięgu ich działania. Mogą one wykrywać obiekty

wykonane z dowolnego materiału, z odległości od kilku milimetrów do kilkudziesięciu metrów.

Reagują one wówczas, gdy obiekt spowoduje przerwanie wiązki światła emitowanej przez czujnik

"mb. gdy wiązka światła zostanie odbita od powierzchni przedmiotu. Te zmiany sygnału świetlnego,

są zamieniane w czujniku na sygnał elektryczny i wykorzystane do sterowania stanem wyjścia

czujnika.

7

Rodzaje czujników fotoelektrycznych:

• czujniki optyczne odbiciowe

• czujniki optyczne refleksyjne

• jednowiązkowa bariera świetlna

8

Połączenie równoległe:

Dobór sensorów uzależniony jest od konstrukcja czujnika dyktuje jego zastosowanie.

Przykładowo czujniki indukcyjne nadają się tylko do detekcji obiektów metalowych,

pojemnościowe mogą wykrywać większość ciał stałych, a także cieczy, fotoelektryczne

wykrywają obiekty.

Dobór czujników(sensorów)

Czujniki zbliżeniowe to jedne z podstawowych elementów wielu systemów automatyki. Bez

nich automatyzacja produkcji, pakowania, czy innych procesów przemysłowych zazwyczaj

byłaby niemożliwa. W pewnym sensie zastępują one operatora, wykrywając zbliżające się

obiekty, niedomknięte pokrywy, a nawet odnotowując przepełnienie zbiorników wodę.

Najbardziej popularne czujniki to czujniki indukcyjne, czujniki pojemnościowe oraz czujniki

fotoelektryczne. Czujniki indukcyjne działają wykorzystując pole magnetyczne, które ulega

zmianie w momencie wprowadzenia w zasięg czujnika metalowego przedmiotu. Ich zasięg

działania zależny jest od rozmiaru cewek, które są ich podstawowym elementem detekującym.

Obszar wykrywania jest więc tym dłuższy im większe są wymiary samego czujnika. Niestety

czujniki indukcyjne nie są w stanie reagować na pojawienie się w ich zasięgu obiektów

9

niemetalowych. W związku z tym ich obszar zastosowań jest ograniczony. Wykorzystywane są

głównie jako czujniki krańcowe, wskazujące na przekroczenie przez badany obiekt ustalonej

pozycji. Równie często, ze względu na wysoka precyzję, stosowane są do pozycjonowania

metalowych urządzeń lub niektórych elementów wykonawczych w maszynach. Mogą też

pomagać w ustalaniu położenia metalowych wyrobów na taśmach produkcyjnych. Jednakże w

przypadku produkcji znacznie częściej wykorzystywane są w celu zliczania obiektów, takich jak

np. szybko przesuwające się na taśmie produkty.

Czujniki pojemnościowe, rozpowszechnione są wszędzie tam, gdzie elementy indukcyjne nie

mogły być zastosowane ze względu na ich brak wrażliwości na elementy niemetalowe. Sensory

pojemnościowe pozwalają na wykrywanie dowolnych materiałów ale mają mniejszy zasięg niż

analogiczne przetworniki indukcyjne.

Są jednocześnie wrażliwe na różnego rodzaju zabrudzenia i przeszkody pojawiające się

pomiędzy nimi a elementem wykrywanym. Ich działanie polega na detekcji zakłócenia pola

elektrycznego wytwarzanego przez sensor. Ze względu na swoje właściwości czujniki te są

stosowane głównie w dosyć nietypowy jak na sensory zbliżeniowe sposób. Używa się ich

przede wszystkim w roli mierników poziomu - a właściwie, ze względu na binarne wyjście -

sygnalizatorów przekroczenia określonego poziomu materiału sypkiego lub cieczy.

Innym bardzo popularnym zastosowaniem jest wykrywanie wszelkiego rodzaju obiektów.

Pozwala to np. na bezdotykową detekcję materiałów podawanych na taśmociągu na

wejście maszyny produkcyjnej, co umożliwia np. rozpoczynanie pobierania towaru do

produkcji w odpowiednim momencie. Często wymienianym przykładem tego typu

zastosowania jest instalacja czujników pojemnościowych w obrabiarkach i przy piłach do

drewna. Dzięki czujnikom wykrywana jest obecność i dokładna pozycja desek, co pozwala

na precyzyjne sterowanie piłami. Czujniki fotoelektryczne, przystosowane są do różnego

rodzaju aplikacji. Wśród nich są m.in. czujniki odbiciowe, przelotowe, refleksyjne. Pewną

odmianą przelotowych są czujniki działające na zasadzie fotokomórki, w których nadajnik i

odbiornik nie są ze sobą sztywno połączone. Cześć z tych czujników nie jest w stanie

wykrywać obiektów przeźroczystych albo np. porowatych, czyli takich, w których

niejednolita powierzchnia powoduje zmiany odczytu, w zależności od punktu padania

wiązki światła. Niemniej charakteryzują się one szeregiem zalet. Przede wszystkim mają

duży zasięg działania i dosyć wysoką dokładność. Mogą być często przełączane i są bardzo

odporne na wysokie temperatury. Dzieje się tak, gdyż niektóre z nich mają światłowodowe

nadajniki i odbiorniki, które doprowadzane są w strefę pomiaru, podczas gdy część

elektroniczna urządzenia znajduje się w oddalonym miejscu.

10

Głównymi zastosowaniami czujników fotoelektrycznych są detekcja obiektów, a także ich

zliczanie. Ponadto często są one instalowane jako świetlne kurtyny bezpieczeństwa, niekiedy

także do pozycjonowania. Innym, mniej typowym zastosowaniem omawianych czujników

jest badanie koloru obiektów. Odpowiednio zestrojony sensor pozwala na wykrywanie

elementów o ściśle określonym kolorze i w ten sposób rozróżnianie barwy obiektów. W

czujnikach tych większą rolę odgrywają także aplikacje związane z pomiarami odległości.

Często aby ułatwić proces detekcji lub pomiaru, na badany obiekt naklejane są specjalne

znaczniki, które są proste do wykrycia przez detektor.

Sensory inteligentne

Dominująca definicją sensora inteligentnego stanowi, że takim układem jest

czujnik zintegrowany z mikroprocesorem.

Schemat czujnika inteligentnego

Sygnał z czujnika po wstępnej obróbce trafia do mikrokontrolera, który zapewnia nie tylko

przetwarzanie sygnału do postaci cyfrowej, ale również jego analizę i interfejs komunikacyjny

z urządzeniami, do których został podłączony. Dodatkowo w pamięci mikroprocesora

wbudowane mogą być funkcje logiczne odpowiadające za wspomnianą wcześniej

inteligencję. W ten sposób możemy określić, że czujnik inteligentny to zintegrowany układ

potrafiący, bez żadnych dodatkowych elementów, zapewnić pomiar, obróbkę sygnału,

komunikację z innymi urządzeniami oraz posiadający funkcję logiczne świadczące o jego

11

pewnej autonomiczności. Większości zadań wymaga jednak wbudowania w jednym układzie

wielu mikroczujników oraz co najmniej jednego mikrokontrolera lub mikroprocesora. Takie

układy nazywane są często inteligentnymi systemami pomiarowymi.

Literatura. Mechatronika materiały szkoleniowe – Projekt finansowany ze środków Unii
Europejskiej w ramach europejskiego Funduszu Społecznego oraz budżetu państwa
w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki piorytet