Msurarea deplasrilor

Msurarea deplasrilor. Generaliti

n domeniulinstrumentaieielectrice se face o distincie clar ntre tehnicile de msurare analogice i cele digitale. Tehnicile analogice presupunmetode de afiare care indic continuu valoarea msurat. Tehnicile digitalepresupun ca mrimea de msurats fie detectat i apoi codificatiafiat numeric cu o rezoluie minim prestabilit. Metodele digitalepresupun o numrareavalorilor de msurat, codificate n prealabil n semnale digitale. Exemple familiare ale acestor dou tehnici de msurtori suntsenzorul de vitez (vitezometrul), respectivechipamentul de msurare al distanei parcurse(kilometrajul)din echiparea automobilului.

Pentru msurarea diferitelor mrimi de interes sunt necesari diferii senzoripentru a asigura semnale analogice sau digitale. Natura semnalelor poate fi convertit din analogic n digital i inversprin intermediul convertoareloranalog-digitalsau digital-analog.

Senzorii de deplasare i unghisunt potrivii pentru msurareadistanelor, lungimilor, poziiei i unghiului de rotaie. Versiunile analogice,utilizate preponderent,sunt senzori rezistivi pasivicu poteniometre(ex. cu fee plane sau elicoidale) sau n combinaie cu traductoare bazate pe deformri mecanice. Pot, de asemenea, s fie fabricai ca senzori inductivi.

Deplasai mouseul deasupra iconielorde pe imaginea de mai jos pentru a afla detalii suplimentare.

Sistem inductiv de msurare a imersiunii pistonuluiunui echipament oleo-hdraulic Pentru msurtori industriale ale deplasrilorsau ale unghiurilor, senzorii analogici sunt foarte des utilizain pofida tendineiactuale spre digitalizare. Aceasta este situaia cndo rezoluie continu este esenial sau cnd tranziia n variaia semnaluluitrebuie urmrit continuu i nu n pai discrei,de exemplu. Uzualaceti senzori lucreaz fr contact, utiliznd tehnici de msurare optic, inductiv sau magnetic. Sistemele inductive i magnetice sunt net superioare sistemelor optice din punct de vedere al robusteii i rezistenei la murdrire.

n industrietendina este de creterecontinu a utilizrii semnalelor digitale. Aceasta nseamn c, fie sistemul de msurare asigur, prin construcia sa intrinsec, acest tip de semnale, fie sistemulde msurare cuprinde un convertor analog-digital.

Grupul senzorilor analogici, incluznd poteniometrele sinus-cosinus, continusjoace un rol crucial alturi de metodele pur digitale, deoarecedigitalizarea semnalelor este foarte simpl.

Convertoarele digitale de deplasare i unghiinclud senzori incrementali care, chiar dac pot fi construii pe baza senzorilor rezistivi sau inductivi, potfirealizai i pe baza componentelorelectrodinamicei optoelectronice. Digitalizarea senzorului duce la generarea de ctre sistem a unui semnal discontinuu sau discret provenit din semnalul analogiciniial. Unitatea de cuantificare, produce un impuls care poate fiintrodus ntr-un numrtor. Afiajul numrtorului reprezint mrimea msurat a deplasrii. Aceti doi pai, digitalizarea i afiarea numericcaracterizeaz metoda incrementalcafiind o tehnic digital.

a) b)Traductori de vitez i unghi

c) d) e)Sisteme analogicei caracteristica acestora

f)Sisteme digitale cu semnal discret

a)Divizor de tensiune rotativ, bobinat

b)Cam

d)Disc dinatcu msurare pasiv inductiv(stnga) saumsurarea activelectrodinamic(dreapta).

e)Disc perforat sau cu fante cu msurare opto-electronic

)Unghi de rotaie

Dezavantajul acestei tehnici simple este evident. Deoarecefiecare valoare individualeste dependent de cea anterioar, oricevaloare eronatnseamn c toatevalorile urmtoarevor fi incorecte. n eventualitatea unei pene de curent, valorile msurate pn n acel moment sunt pierdute. O tehnic de msurare relativ, ca i aceasta,are i un avantaj i anume c punctul de zero poate fi stabilit oricnd, n orice punct.

De exemplu, pentru a detecta sensul de deplasare utiliznd metodaincremental, sunt necesari doi senzori conectai la o unitate de digitalizare, ale crei semnale suntapoi evaluatede o reea logicnainte de a fi introduse ntr-un numrtor sus/jos. Nu este suficient s fie detectate semnalele staticede la fiecare surs i s fie interpretate mpreun, ci i momentul n care se modific semnalul este important(ex. tranziia clar-obscur) i trebuie detectat. Aceasta implic un circuit destul de complicat.

mbuntiri suplimentare, precummarcaje de referin pe un al treilea canal al digitalizorului, permit utilizarea imediat i sigur a numrtoruluidup o ntrerupere a tensiunii de alimentare. Cu elemente speciale opto-electronice,pot fi detectate erorile datorate perturbaiilor externe sistemuluisau prin pierderea marcajelor de referin. (Metoda moir-ului de umbre ).

Metodele opto-electronices-au rspnditdatorit lipsei componentelor de uzur, lipsei de contact mecanic i susceptibilitii reduse la perturbaii electrice. Exist versiunin care luminatrece princomponent (transmisie) sau altele n carelumina este reflectat(reflexie). Acestea sunt aplicate ambelor tipuri de senzori, incrementali i absolui.

Senzori de deplasare absolut

Pentru senzorii de deplasare absolut, ntreg domeniul de msuraretrebuie divizat n domenii discrete, numerotate- ca i pentru orice metod digital. n contrast cu metodele incrementale, aceste regiuni cuantificate nu sunt doar numrate n mod simplu,ci trebuie s aib un marcaj univoc, de ex. similar inscripionrilor de pe o rigl. Aceste marcaje i astfel fiecare poziie, corespund unei valori numerice fixe i distincte. Afiarea acestor valori se realizeaz, n practic,prin intermediul unor codoare. Senzorii de deplasare absolut ide unghi sunt astfel denumii i senzoride deplasare codai (encodere).

Aplicaiile tipice pentru senzoriide deplasare absolut i de unghise regsesc nsistemele de comandnumeric alemainilor unelte (CNsau CNC). n acest domeniu, sistemele incrementale ocup aproximativ80% din totalul sistemelor utilizate.

Deplasai mouse-ul deasupra iconielorde pe imaginea de mai jos pentru a afla detalii suplimentare.

Detectareapoziiei pentru controlul mainiia) Msurare direct a poziiei b) Msurare indirect a poziiei

Msurare incremental a poziiei

Msurare absolut a poziiei

Principiul senzorilor inductivi

Construcia senzorilor inductiviUzual, senzorii inductivi sunt constituii dintr-una sau mai multe bobinecu inductan variabil. Figura din dreapta prezint un exemplual unei bobine cilindrice, precum i relaia de determinare a inductanei acesteiaL, undel este lungimea bobinei, A este aria seciunii transversale a bobinei,N, numrul de spire,0 permeabilitatea magnetic a vidului, respectiv r permeabilitatea relativa mediului din interiorul bobinei.

Principul senzoruluiconst n modificarea inductanei bobinei(lor), prin intermediul mrimii care trebuie msurat(distana sau deplasarea). Modificareainductanei poate fievaluat cu ajutorul unei puni de msur corespunztoare.

Imaginea din stnga: senzor de deplasare industrial, n domeniul0 ... 2 mm

Funcionarea unui inductor diferenialUrmtoarea animaie prezintmodul de funcionare al unui senzorde deplasare cu inductor diferenial. Dou bobine identiceL1i L2 sunt plasate ntr-o carcas cilindric. Miezul din material magnetic (oel) se poate deplasa n lungul axei de simetrie a bobinelor, fiind elementul care realizeaz deplasarea. Permeabilitatea relativ mult mai mare a miezului din oel, fa de cea a aerului, modific inductivitile celor dou bobine, una crescnd cealalt scznd (cu aceeai valoare), n funcie de poziia relativ a miezului fa de cele dou bobine.

Imaginea de mai jos, prezint circuitul de msurare utilizat. Acesta este alimentat cu tensiunea alternativU~. RezistoareleR1i R2 formeaz o punte mpreun cu cele dou bobine. Tensiunea msuratUM estedirect proporional cu deplasarea miezului magnetic n interiorul bobinelor.

Senzor de proximitate inductivSenzorii de proximitate inductivi detecteaz distana dintreacetia iun obiect care se apropie, putnd fi astfel utilizai la msurarea distanelorsau la detectarea metalelor (vezi imaginea din dreapta). Principiul de funcionare al acestui tip de senzor implic atenuarea cmpului magnetic produs de un oscilator (o bobin alimentat cu tensiune alternativ dispus pe un miez magnetic deschis)de ctre cmpul magnetic de reacie generat de curenii turbionari indui nobiectul care trebuie detectat. Este evident c obiectul trebuie s fie dintr-un material conductor. Domeniul de lucru este, n general, de ordinul milimetrilor.

Animaia alturatilustreaz principiul de lucru al unui senzor de proximitate inductiv. Cmpul magnetic produs de oscilator se distribuie n spaiul nconjurtor datorit miezului magnetic deschis. Dac un obiect confecionat din material conductorajunge n zona de aciune a cmpului magnetic, n acesta vor fi induse tensiuni electromotoare care genereaz cureni turbionari.Aceti cureni determin un cmp magnetic de reacie care se opune cmpului inductor i reduc amplitudinea tensiunii bobinei (legea lui Lentz). Amplitudinea tensiunii este, astfel, o msur a distaneidintre senzor i obiect.

Contactde proximitate inductivSenzorii de proximitate inductivi, descrii anterior,pot fi uor utilizai ca i contacte de proximitate(limitatori de proximitate), prin procesarea amplitudinii tensiuniiprintr-un trigger Schmitt. Acesta este astfel setat nct scomute ntre cele dou stri"deschis"sau "nchis" atunci cnd distana dintre senzor i obiect este sub sau pestevaloarea de prag lacare a fost calibrat.

Principiul senzorilor capacitivi

Construcia senzorilor capacitiviSenzorii capacitivi sunt, de fapt,condensatoriavnd capacitatea variabil. Figura din dreapta prezint un condensator plan simplu i relaia de determinare a capacitii acestuia C. A este aria efectiv de suprapunerea celor douarmturi,d este distana dintre ele,0 este permitivitatea absolut a vidului ir este permitivitatea relativ a materialului dielectric dintre armturi.

Principiul senzorului este bazat pemsurarea, prin intermediul unui circuit corespunztor, a modificrile pe care le cauzeaz mrimea neelectric de msuratn valoarea capacitii condensatorului. Modificarea capacitii poate fi, conform relaiei anterioare, realizat prin modificarea ariei efective a armturilor, a distanei dintre acestea sau a dielectricului dintre armturi (permitivitatea).

Modificarea distanei dintre armturiCapacitatea unui condensator plan este invers proporional cu distanad dintre armturi, aa cum s-a vzut n relaia de mai sus. Astfel, dac un efect externduce la creterea distanei, capacitatea va scdea i invers (vezi animaia din dreapta). Aceste modificri ale distanei de separaie pot fi utilizate la msurarea unor deplasri mici. Datorit proporionalitii inverse, relaia dintre distan i capacitate nu este liniar, ci hiperbolic.

Modificarea ariei efective a suprafeelorn loc de msurarea deplasrii prin variaia distanei dintre armturi, este posibil deplasarea uneia (sau ambelor) armturi una fa de cealalt, n aceleai plane, adic pstrnd paralelismul lor i distana dintre ele(vezi animaia din dreapta). Aceasta duce lascderea ariei suprafeei de suprapunere a celor dou armturiA, ele se suprapun doar parial, adic capacitatea va scdea la rndul ei. Deoarece capacitatea este direct proporional cuariade suprapunere, caracterisitca rezlutat va fi liniar.

Modificarea permitivitii dielectriculuiCapacitatea unui condensator este direct proporional cu permitivitatea realativ a dielectricului dintre armturi, aa cum se observ din relaia de sus.Modificarea permitivitii relative, prin introducerea unui alt dielectric ntre armturi, modific i valoarea capacitii (vezi animaia din dreapta). Dac al doilea dielectriceste doar parial introdusntre armturile condensatorului, se poate reprezenta ca i o conexiune a doi condensatori n paralel, fiecare avnd un singur fel de material dielectric ntre armturi. Dac mediul original este aerul(r=1), capacitatea crete liniar odat cu introducerea celui de al doilea dielectric ntre armturi.

Principiul descris aici poate, de exemplu, s fie utilizat ca indicator de nivel pentru lichide (vezi animaia din stnga). Odat cu umplerea vasului,lichidul nlocuiete aerul ntre cele douarmturi, crescnd permitivitatea dielectrici implicit capacitatea condesnatorului. Dac aceast metodestefolosit pentru msurarea nivelului unui lichid conductor de electricitate, unul dintre electrozi trebuie s fie izolat, caz n carevasul i lichidul reprezint cel de al doilea electrod. n acelai mod un astfel de senzor poate fi folosit pentru msurarea umiditii.

Construcia unui condensator cilindricO alternativ pentru dispunerea armturilor unui condensator este condensatorul cilindric(vezi dreapta). Primul electrod este cilindrul exterior, n timp ce al doilea este cilindrul interior, ambii avnd aceeai ax. Deplasnd armtura interioar se obine variaia capacitii prin modificarea ariei efective de suprapunere. Cu aceast construcie, distana de separare este constant i rotirea senzorului pstreazneschimbat valoarea capacitii.

Msurarea inductiv a deplasrilor: Aducerea la zero a punii

Msurarea inductiv a deplasrilor: Calibrarea generatorului de tact

Msurarea inductiv a deplasrilor: Caracteristica senzorului

Care este factorul de amplificare al senzorului(panta caracteristicii) n V / 10 diviziuni ale scalei n domeniul deplasrilor medii?

Factorul de amplificare al senzorului, n domeniul deplasrilor medii este aproximativ V / 10diviziuni.

Tabelulu este

Msurarea capacitiv a deplasrilor: Aducerea la zero a punii

_1134434155.unknown