Wprowadzenie do mechatroniki /

Podstawy mechatroniki

Wykład 4 Sensoryka

dr inż. Jarosław Adamiec

[e-mail]

pok. 736 (BM) tel. [phone]

konsultacje:

WT 11:30 - 12:30



Czujniki, wykorzystywane w maszynach,

odpowiadają zmysłom człowieka. Są
instrumentami, które dostarczają informacji
o stanie samej maszyny i jej otoczenia. Ale
interesującą nas informację nie zawsze można
bezpośrednio ująć za pomocą czujników. Taka
sytuacja może mieć miejsce na przykład wtedy,
gdy mierzony sygnał jest skażony
zakłóceniami, gdy kontrolowana wielkość nie

Sensoryka

2012-12-01 22:00

2

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

daje się przetworzyć na sygnał elektryczny, a także wtedy, gdy z
powodu ograniczeń kosztowych lub przestrzennych nie daje się
wykorzystać niezbędnego czujnika. Jeżeli w takich przypadkach
wiemy jak obiekt reaguje na zakłócenia, to za pomocą
odpowiednich obliczeń można ocenić interesujący nas sygnał.



Czujniki w urządzeniach mechatroni-

cznych mierzą wielkości sterowane, steru-
jące, zakłócające itp.. Mogą to być pomiary
bezpośrednie lub pośrednie. W tym drugim
przypadku chodzi o oszacowanie tych wiel-
kości na podstawie innych wielkości, za po-
mocą tzw. algorytmu obserwatora. W obwo-
dach sterowania ze sprzężeniem zwrotnym
czujniki są niezbędne. Istota takich obwo-
dów polega bowiem na obróbce sygnału, po-
chodzącego od czujnika, w celu uzyskania
informacji potrzebnej do bezpośredniego
sterowania układem mechanicznym.

Sensoryka

2012-12-01 22:00

3

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rysunek przedstawia podstawowe funkcje systemu pomia-
rowego. Sygnałem wejściowym jest wielkość fizyczna, która ma
być mierzona. Wielkość mierzona jest „wyczuwana” przez
obiekt, zwykle nazywany

przetwornikiem wejściowym lub

sensorem. Sensor odbiera wartości mechaniczne, chemiczne,
termiczne lub optyczne i przetwarza je w sygnały elektryczne.

System pomiarowy jako system

przetwarzania informacji

2012-12-01 22:00

4

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka



Większość sygnałów, pochodzących z czujników, ma naturę

analogową. W takim przypadku konieczne jest analogowe
przetwarzanie sygnału. Często przydatne jest rozróżnianie
między główną jednostką przetwarzania (np. mikroprocesor)
i jednostką przygotowania sygnału (np. wzmacniacz, filtr czy
przetwornik analogowo-cyfrowy).



Na koniec sygnał z procesora jest stosowany do wyświetlania

niektórych informacji operatorowi, np. na ekranie. Alternatywnie
sygnał może być zapisywany, np. na papierze, dyskietce
magnetycznej czy w kostce obwodu scalonego (RAM, EPROM
itd.). Każde urządzenie, które przetwarza sygnał elektryczny w
nieelektryczną wielkość fizyczną jest nazywane aktorem
(aktuatorem) lub przetwornikiem wyjściowym.

System pomiarowy jako system

przetwarzania informacji

2012-12-01 22:00

5

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Oczywiście

może

istnieć

wiele

poziomów

w

systemie

przetwarzania informacji. Rysunek pokazuje jego

najbardziej

podstawowe składowe: sensor, procesor sygnału (włączając
preprocesor) i aktor.

System pomiarowy jako system

przetwarzania informacji

2012-12-01 22:00

6

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Mechanicznych wielkości pomiarowych jest dużo. Najważniejsze
z nich przedstawia tabela powyżej. Wielkości te są używane
często

do

definiowania

najważniejszych

klas

sensorów

mechanicznych.

Mechaniczne wielkości pomiarowe i

klasyfikacja urządzeń sensorycznych

2012-12-01 22:00

7

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Sensory klasyfikuje się w zależności od funkcji jaką wykonują
(tzn. do mierzenia czego służą), lub od ich zasady działania (np.
indukcyjne,

optoelektroniczne

itp.).

Zwykłym

kryterium

klasyfikacji jest rodzaj energii, którą niesie sygnał (mechaniczna,
cieplna, elektryczna, promieniowania itd.). Dla konstruktora
urządzenia

mechatronicznego

istotna

jest

klasyfikacja

funkcjonalna. Chce on przede wszystkim wiedzieć o różnych
rodzajach sensorów, np. do pomiaru przemieszczenia, a nie o
ukrytych zasadach ich działania. Jest to bardziej praktyczne.
Taka klasyfikacja może być również używana do klasyfikowania
rodzajów aktorów używanych w systemach mechatronicznych.

Mechaniczne wielkości pomiarowe i

klasyfikacja urządzeń sensorycznych

2012-12-01 22:00

8

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Mechaniczne wielkości pomiarowe i

klasyfikacja urządzeń sensorycznych

2012-12-01 22:00

9

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Czujniki

indukcyjne

stanowią

najpopularniejszą

grupę

czujników

stosowanych

w

układach

automatyki.

Wykorzystywane są one do kontroli

położenia, przemieszczeń

i ruchu mechanizmów związanych ze sterowanymi urządzeniami.

Czujniki te reagują, na przedmioty metalowe. Podstawowymi
składnikami

czujnika

indukcyjnego

są

(rys.):

głowica

zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator
napięcia

sinusoidalnego,

układ

detekcji

(komparator)

i

wzmacniacz wyjściowy.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

10

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

W elektrycznych układach rezonansowych całkowita energia jest
zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego E

L

cewki

indukcyjnej

i

energii

pola

elektrycznego

naładowanego

kondensatora E

c

. W każdej chwili suma tych energii jest taka

sama tzn. E = E

L

+ E

c

= const. (rys.).

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

11

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

W rzeczywistych obwodach LC występują zawsze dodatkowe
straty

energii,

związane z własną rezystancją cewki i

kondensatora. Z tego powodu oscylacje obwodu z rezystancją
RLC będą tłumione (rys.). Oscylacje obwodu można podtrzymać,
zasilając go z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

12

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

gdzie:

f – częstotliwość zewnętrznego źródła sinusoidalnego,

f

0

- częstotliwość własna nietłumionego obwodu LC,

L – indukcyjność [Henr],

C – pojemność [Farad].

Jest to warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów
w obwodzie. Maksimum amplitudy oscylacji w obwodzie jest
tym wyższe im większa jest wartość współczynnika dobroci
obwodu.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

13

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Współczynnik dobroci Q jest miarą strat powstających w
elementach L i C, reprezentowanych przez rezystancję
równoległą R. Bezstratny obwód miałby w warunkach
rezonansu, nieskończenie dużą rezystancję równoległą R. Im
większe są straty w obwodzie tym rezystancja równoległa jest
mniejsza, a tym samym współczynnik dobroci też jest
mniejszy.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

14

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. a. Przykład układu generatora LC.

Poziom sygnału wyjściowego zależy od współczynnika dobroci Q
układu rezonansowego. Mała dobroć istotnie zmniejsza sygnał
wyjściowy z układu elektronicznego (rys. b).

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

15

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

16

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Obiekt

metalowy

w

polu

magne-

tycznym cewki z rdzeniem ferrytowym

Rys. Histereza czujnika indukcyjnego .
Wartość histerezy zależy od rodzaju i wielkości czujnika i nie
przekracza 20% zakresu pomiarowego. Występowanie histerezy
zapewnia prawidłową pracę czujnika, gdy wykrywany przedmiot
znajduje się na granicy strefy działania czujnika.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

17

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Związek pomiędzy średnicą czujnika a nominalną strefą
działania standardowych czujników indukcyjnych. Dla zwiększe-
nia pewności działania czujnika zalecaną strefą jest Strefa robo-
cza Sa ≤ 0.8Sn. Rzeczywista strefa działania Sr ustalana w pro-
cesie wytwarzania czujnika może odbiegać o 10% od wartości Sn.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

18

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Skorygowane zakresy działania czujnika indukcyjnego dla
różnych

materiałów

przedmiotu

wykrywanego.

Czujniki

z

wysuniętą cewką charakteryzują się większą czułością

i jednocześnie większą wrażliwością na obecność innych obiektów
metalowych w ich otoczeniu.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

19

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Czujniki indukcyjne z osłoniętą i nieosłoniętą cewką: a)
charakterystyki, b) zalecenia montażowe. Czujniki o konstrukcji
osłoniętej charakteryzują się większą strefą działania niż czujniki
nieosłonięte, więc wolna strefa wokół nich musi być też większa.

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

20

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Wymagania narzucone przez normę EN 50010 przy
wyznaczaniu maksymalnej częstotliwości przełączeń wyjścia
czujnika indukcyjnego. Maksymalna częstotliwość przełączania
wyjścia f obliczana jest z zależności: f = 1 /(t1 + t2)

Czujniki indukcyjne

2012-12-01 22:00

21

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Czujnik indukcyjny pierścieniowy: a) widok, b) związek
między wielkością czujnika a minimalną wielkością wykry-
wanego przedmiotu

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

22

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Cewki czujników indukcyjnych odpornych na silne pola
magnetyczne. Najwyższą odporność na działanie zewnętrznych
pól magnetycznych mają czujniki całkowicie pozbawione
rdzenia, który w tradycyjnych czujnikach koncentrował wokół
siebie zewnętrzny magnetyzm.

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

23

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys.

Rozpoznawanie

kierunku

ruchu

dwoma

czujnikami

standardowymi i czujnikiem bistabilnym.

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

24

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Czujnik typu NAMUR a) charakterystyka, b) obwód
elektryczny

,

są

2-przewodowymi

czujnikami,

których

wewnętrzna rezystancja zmienia się w wyniku wykrycia metalu.

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

25

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

26

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Analogowy czujnik z wyjściem indukcyjnym

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

27

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Łączenie szeregowe czujników w grupy (funkcja logiczna
AND)

Czujniki indukcyjne - specjalne

2012-12-01 22:00

28

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Łączenie równoległe czujników w grupy (funkcja logiczna
OR)

Podłączanie czujników do sieci

komunikacyjnych

2012-12-01 22:00

29

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Uproszczona struktura systemu komunikacji bez sieci i z
siecią

Aplikacje

2012-12-01 22:00

30

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Wykrywanie złamania wiertła i obiektów na taśmie

Aplikacje

2012-12-01 22:00

31

Podstawy mechatroniki Wykład 4 Sensoryka

Rys. Kontrola ciągłości drutu