Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 1€¦ · Snímače polohy, dráhy a jejich derivací INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ LVDT (indukčnostní) snímač polohy (Lineární

Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je

spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

Snímače polohy, dráhy

a jejich derivací - 1

Zpracoval: Vladimír Michna

Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL

Verze 2

Doplněná inovovaná přednáška

In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích

partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o.

Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro

konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského

sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu

ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj

tvůrčího potenciálu studentů.

Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování

inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat

bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního

konstrukčního řešení strojírenských výrobků.

Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce

strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů,

vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů

podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků.

Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací

Snímače polohy

INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy:

- s nespojitým výstupním signálem (koncové, mezní – indikace

dosažení polohy, NE měření)

Kontaktní koncové spínače

Technické údaje:

zatižitelnost kontaktů: (napětí (AC x

DC), proud, typ zátěže R x L)

konfigurace kontaktů (přepínací x

spínací, společný potenciál x

izolované...)

funkce kontaktů (mžikové x pomalé)

hystereze a spínací dráha

typ aktivačního členu (kolečko,

kladka..)



Správné používání koncových spínačů:

U koncových spínačů s

vrchním stlačovacím čepem

musí být operační síla

vyvinuta co nejblíže osy

čepu.

Vačka nebo zarážka musejí být takové,

aby se aktivní člen neuvolnil náhle a

samovolně nesepnul při zpětném pohybu.



Indukčnostní snímač Princip funkce je založen na vzájemném působení mezi

vodivým předmětem (snímaná součást) a střídavým

elektromagnetickým polem.

Hlavní technické parametry:

jmenovité napájecí napětí

jmenovitý pracovní proud

spínací vzdálenost a frekvence

hystereze

stupeň elektrického krytí

typ výstupního obvodu (PNP x NPN, dvoudrát x

třídrát)



Typy výstupních obvodů (nejen) indukčnostních snímačů:

PNP, spínání

plusu (napájení)

3-drát, DC spínač

NPN, spínání minusu

(přizemnění)

2-drát, DC spínač

lze přepólovat



a mnohé další snímače polohy s nespojitým výstupem:

– optické

– ultrazvukové

– laserové

– kapacitní

– s Hallovou sondou



Snímače polohy a dráhy se spojitým (kvazispojitým) výstupním signálem:

- lineární snímače

- rotační snímače

Pod pojmem „dráha“ rozumějme:

• lineární úsek mezi dvěma koncovými body – lineární snímače

• úhel natočení (hřídele) mezi krajními body – rotační snímače

Podle výstupního údaje:

-absolutní snímače (po výpadku a následném připojení napájení se údaj

o poloze neztrácí)

- inkrementální snímače (po připojení napájení je nutno nejprve „najet“ do

výchozího (vztažného) místa



Lineární snímače plohy:

Odporový (potenciometrický) snímač polohy:

zRRz K činitel zatížení

xR

R2 pro lineární

průběh R

dává pak hodnota UZ

informaci o vzdálenosti

(úhlu natočení) αx ?



vypočtěme Uz:

1 a 10 pro

V

je R pro

2

20 z

x

xx

z

z

UUUR

RU

UU

.....

:platí arezistorů řazení

paralelní o jde R pro

2

21

2

2

z

z

z

z

z

z

RR

RRR

RR

RR

U

U



V

11

U

K

U

z

xx

xz

zatížení výstupu potenciometrického

snímače se projeví na průběhu statické

charakteristiky následovně:

U

Uz

x

R

RK

zz

Důležitý závěr:

vstupní impedance měřidla musí

být řádově větší než odpor snímače



není-li dodržen požadavek Rz >> R, určí se absolutní chyba výstupního napětí

Uz podle vztahu:

V

1

....

2

20

UK

UUU

x

x

z

x

zz



Nevýhody potenciometrických snímačů polohy:

- výstupní signál (napětí) nedává přímou informaci o poloze (vhodný jako zdroj

analogového zpětnovazebního signálu)

- nízká životnost – kontakty

- teplotní závislost u vinutých potenciometrů

- šum ve výstupním signálu

Výhody potenciometrických snímačů polohy:

- absolutní v celém rozsahu měření

- jednoduchý, tedy levný



Magnetostrikční snímač polohy:

Magnetostrikční snímač měří bezdotykově polohu pohyblivého permanentního

magnetu pomocí doby šíření mechanického vzruchu vybuzeného interakcí mezi

magnetickými poli v magnetostrikčním materiálu. Je to snímač absolutní, pasivní.

Magnetostrikce je schopnost některých feromagnetických materiálů pod vlivem

magnetického pole měnit svoje rozměry (Wiedemannův jev – prochází-li dlouhou

a tenkou tyčí z feromagnetického materiálu, umístěnou v podélném magnetickém

poli, elektrický proud, namáhá se tyč krutem) – viz. „bzučení“ transformátorů

elektrického napětí

Magnetoelastický jev (Villariho jev) se vyznačuje změnou magnetických vlastností

(na př. permeability) materiálu feromagnetické tyče, vyvolanou deformací tyče v

podélném směru



Princip činnosti magnetostrikčního snímače:



Popis funkce magnetostrikčního snímače:

Měřící element („vlnovod“) je vyroben ze speciální slitiny niklu a oceli s průměrem

vnějším 0,7 mm a vnitřním 0,5 mm. Měděný vodič je vedený vnitřkem této

trubičky. Start měření je inicializován krátkým proudovým impulzem v měděném

vodiči. Elektrický proud vytváří kolem trubičky kruhové magnetické pole.

Permanentní magnet v místě měření je použit jako ukazatel polohy, magnetické

siločáry jeho pole jsou kolmé k elektromagnetickému poli vzniklému proudovým

impulzem. V místě pod permanentním magnetem se obě magnetická pole protnou

a jejich interakcí se v magnetostrikční trubičce vytvoří (v rozsahu mikro) torzní

impulz (Wiedemannův jev). Torzní impulz se šíří vlnovodem oběma směry ve

formě mechanické vlny. Rychlost jejího šíření vlnovodem je známa (2 830 m/s) a

je téměř nezávislá na vlivech okolního prostředí (teplota, rázy, vibrace, znečištění).

Část vlny, která dosáhne ke vzdálenému konci vlnovodu, je zatlumena (rušivý

odraz), druhá část, směřující k signálovému konvertoru je změněna na elektrický

signál – impulz - (Villariho jev). Doba přeběhu vlny od místa vzniku ke konvertoru

je přímo úměrná vzdálenosti ukazatele (permanentního magnetu) od konvertoru.

Naměřený čas pak dovoluje určit vzdálenost – dráhu – s extrémě vysokou

přesností.



Uživatelské vlastnosti magnetostrikčního snímače :

pracovní rozsah měřené dráhy skládáním segmentů až 7 600 mm

(běžně 50 až 1 500 mm)

rozlišení systému min 10 μm (od 1 μm bez matematických

úprav – průměrování), závisí na způsobu

vyhodnocení

opakovatelnost min 10 μm

reprodukovatelnost min 20 μm

vzorkovací frekvence 1 až 10 kHz

max. odchylka od linearity < 200 μm do 500 jmenovité délky

typ. ± 0,02 %, max. ± 0,04 %

pro 500 až 1 500 mm jmenovité délky

napájecí napětí 20 až 28 V DC

proudový odběr < 70 mA (podle typu)

výstupní signál absolutní



LVDT (indukčnostní) snímač polohy (Lineární vysouvací diferenciální

transformátor)

Transformátor s primárním a dvojitým sekundárním vinutím, jejichž vzájemná

indukčnost je ovlivňována změnou vodivosti magnetického obvodu, která je

svázána s měřenou veličinou

- Absolutní (pasivní) snímač

- Bez tření – minimální zátěž měřené soustavy- Vysoké rozlišení (omezeno jen šumem)- Vysoká životnost – téměř neomezená (žádné mechanické kontakty)- Velká přesnost , linearita 0,1 %- Rozsah jednotky až stovky mm (podle typu)- Při překročení rozsahu nedojde k poškození – dutina je průchozí- Verze i pro velmi malá posunutí (mm)- Velmi dobrá dynamická odezva omezeno frekvencí napájení- Poměrně odolné proti znečištění



L2´

L2´´

L1

Princip činnosti LVDT snímače polohy:



a základní matematické vztahy obvodového řešení:

1

1

21

1

11

2100

120202

110101

111

: konstanta Časová

1

)( : Unaprázdno

napětí Výstupní

)()( :)(j Unapětí Sekundární

)()( :)(j Unapětí Sekundární

:proud Primární

R

L

j

MMj

R

jU

LjR

jUMMjjUj

jIMjjU

jIMjjU

LjR

jUjI

cc

cc

cc



L2´

L2´´

L1

Příklad uspořádání LVDT (schematicky) a typický průběh statických charakteristik



Příklad snímače dráhy WA 200 (Hottinger Baldwin Messtechnik)

a jeho hlavní technické parametry:

jmenovitá měřící dráha: 200 mm

jmenovitý výstupní signál: 80 mV / V(při jmenovité dráze a nezatíženém výstupu)

jmenovité napájecí napětí a frekvence: 2,5 Vef / 4,8 kHz

odchylka linearity: 0,2 %

maximální dovolené zrychlení: 2 500 m/s2

hmotnost

tělesa snímače: 130g

zásuvné kotvy: 20 g

http://www.rdpe.com/ex/act.htm



Induktosyn:

Lineární (i rotační - resolver) senzor polohy, cyklicky absolutní

Nad pravítkem se pohybuje jezdec se dvěma vinutími (posun o l/4), pevně

spojený s částí stroje, jejíž polohu měříme

Obě vinutí jezdce se napájejí střídavým napětím s fázovým posunem 90o

tkUtutkUtu cos a sin 1211

Napětí na výstupu pravítka bude:

tkUttkUtututu coscoscossinsin12112

Přiřadíme-li délce kroku K úhel 2π, pak úhel φ je úměrný posuvu jezdce proti

pravítku v rámci jednoho kroku x a platí:

2

Kx



L

d

U2výstup

u (t)=U sin t11

bežec

pravítko

v

v

x

u (t)=U cos t12

pravítko

K

xtkUtu 2cos2

Pro vztah mezi posuvem

jezdce proti pravítku (dráze)

a výstupním indukovaným

napětím na pravítku (v rámci

jednoho kroku K) platí:

d = K * (x + ¼)



Výhody:

- vysoká přesnost

- velký měřící rozsah (stovky až tisíce mm – na délku lože obráběcího stroje)

- necitlivost na změnu vzdálenosti a kolmosti pravítka a jezdce

- v uzavřeném provedení odolný proti znečištění

Nevýhody:

- cyklicky absolutní (při začátku měření i po výpadku napájení nutno „najet“ do

referenční (nulové) polohy

- elektronika musí počítat kroky



Rotační snímače polohy:

Rotační inkrementální snímač polohy (IRC – Incremental rotary encoder):

je elektromechanický převodník – cyklicky absolutní rotační snímač polohy – úhlu

natočení rotoru vůči statoru.

Z principu činnosti si inkrementální snímače, na rozdíl od snímačů absolutních,

nepamatují polohu při vypnutí napájení.



Princip činnosti rotačního inkrementálního snímače:



Základem snímače je otočný optický disk, mechanicky spojený s připojovací

hřídelí snímače (obr. 1).

Pro rozlišení směru otáčení jsou na pevné části dvě soustavy clonek, vzájemně

posunuté o 90o (el.) (π /2). Popsaným způsobem tedy lze získat dva obdélníkové

signály posunuté o polovinu periody: kanál A a kanál B (obr. 3)

DŮLEŽITÁ POZNÁMKA:

všimněte si, že posunutí snímačů

obou kanálů (A a B) je 90o el. (π/2),

NIKOLI 180o el., jak by se na první

pohled zdálo. PROČ ?



Pro zlepšení kvality a stability výstupních signálů se snímá vždy v diferenčním

režimu, kdy se porovnávají dva totožné signály s opačnou fází (fázový rozdíl je

180o el.). Diferenční způsob snímání umožňuje eliminovat vliv rušení.

I1

I2

I3



Pro získání většího rozlišení se používá vícenásobného vyhodnocení signálu.

Například má-li snímač 100 pulzů/ot. (běžný počet bývá 5 000 až 10 000 pulzů/ot.,

ale i více) pak při čtyřnásobném vyhodnocení signálu (obě náběžné i sestupné

hrany kanálů A a B) je rozlišení 400 inkrementů (kroků) /ot.



Vedle inkrementálních snímačů polohy se používají i absolutní rotační snímače

polohy (ARC), které si naměřenou polohu pamatují i po vypnutí napájení:

optický disk absolutního

snímače je kódový (na př. s

Grayovým kódem), každé

poloze natočení disku

odpovídá definované

„výstupní slovo“ složené z bitů

vyslaných LED snímači.

Každé následující slovo se liši

od předcházejícího právě o

jeden bit (možnost opravy při

chybě čtení)



Příklad hlavních technických údajů snímače IRC 305,

(český výrobce LARM Netolice)

Otáčky: 10 000 min-1

Úhlové zrychlení: 40 000 rad.s-2

Moment setrvačnosti

mechanických částí: 20 g.cm-2

Počet impulzů na otáčku: 100 až 6 000

s jedním nulovým

impulzem na

otáčku

a další elektrické i konstrukční

údaje (viz. katalogové listy výrobce)



Resolver:

je cyklicky absolutní rotační snímač polohy – úhlu

natočení rotoru vůči statoru (změny polohy proti

zvolenému - referenčnímu bodu).

Resolver je elektrický stroj, který má jedno vinutí na rotoru a dvě vinutí na statoru.

Statorová vinutí jsou vzájemně prostorově pootočena o 90o el. Rotorové vinutí je

napájeno ze zdroje sinusového napětí s frekvencí cca 2 kHz.

Se změnou úhlu natočení rotoru vůči statoru se sinusově mění i velikost napětí

indukovaných z rotoru do obou statorových vinutí.

Resolver může být napájen do rotoru nebo statoru.



Budící napětí indukované do

rotoru:

tUtu sin

Napětí indukované ve

statorových vinutích:

cossin

sinsin

cos

sin

tkUtu

tkUtu

kde:

k = transformační poměr (rotor –

stator)

φ = úhel natočení rotoru vůči

statoru



POZNÁMKA:

při napájení do statoru musí být k dispozici dvě sinusová napájecí napětí:

tUtu

tUtu

cos

sin

cos

sin

napětí indukované v rotoru je pak:

tkUtu sin



Teoreticky dosažitelná rozlišitelnost (přesnost) měření vyplývá z úvahy:

je-li frekvence napájecího napětí 2 kHz a resolver je dvoupólový (360o

geometrických = 360o el.), je počet vzorků za otáčku 360o / 2 000 = 0,18o, tedy

asi 11 úhlových minut



Technické údaje:

jako příklad je uveden katalogový list resolverů českého výrobce Atas Náchod

Documents

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 1€¦ · Snímače polohy, dráhy a jejich derivací INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ LVDT (indukčnostní) snímač polohy (Lineární