Sensortechnologie detecteren wordt meten (NL)

VIK Lezing: SensortechnologieDetecteren wordt meten

Maart 2011 L.Bervoets pagina 2

Overzicht

1. Inleiding2. Materiaaldetectie3. Voor veraf en kortbij4. Rotatiesnelheid en hoekverdraaiing.5. Helling en versnelling6. De link naar buiten.7. Vragen & bedenkingen


1. Een korte historiek

1958 : De eerste contactloze sensor


1. Toepassingsdomeinen voor sensoren

Fabrieksautomatisering- stukgoedbehandeling, material handling- automobielindustrie- mobile equipement- verpakkingindustrie & druknijverheid- ...

Procesautomatisering- chemie- farmaceutica / life science- voedingsnijverheid- ...


1. Sensortechnologie in moderne machines:

Rendenmentsverbetering

Flexibiliteit

Nieuwe trends:

Steeds meer sensoren met meer mogelijkheden.

Hogere automatiseringsgraad


1. Welke principes voor welke toepassingen.

Inductieve sensoren

Magnetische sensoren

Capacitieve sensoren

Optische sensoren

Ultrasoon-sensoren

Draaiimpuls-gevers

Materiaal Enkel metalen Enkel magneten

Geleidende en niet geleidende producten

Reflecterende doorzichtige tot transparante objecten

Reflecterende objecten

-

Schakelafstand Kort(0,6 tot 75mm)

Kort(20 tot 60 mm)

Kort (4 tot 20 mm)

Groot (van 4mm tot 250m)

Middelgroot (van 100mm tot 10m)

Omgevings-factoren

Magnetische velden

Magnetische velden

Elektrische velden

Omgevingslicht & vervuiling

Ultrasoon geluid

Trillingen

Schakel- frequentie

Hoog Hoog Hoog Zeer hoog Laag Zeer hoog

Bouwvorm Standaard en fabricant specifiek

Standaard en fabricant specifiek


Fabricant specifiek

Fabricant specifieke


Andere Prijsgunstig - - Hoge precisie All round sensor

-


2. Materiaaldetectie

Inductieve koppeling

Magnetische velden

Elektrische velden

Magnetische permeabiliteit

Magnetische flux

Diëlektricum

Oscillerende RLC-keten

Relatief kort bereik


2. Werkingsprincipe inductieve sensoren

L

Rv

C

Veréénvoudigd schema RLC-keten.

V

2V

V

2V

R1

CLQ is R

CL voor ,

R

RCL

LC Qfactor Kwaliteits

Q

f

Geen bedempingsvaanIjzer-houdende bedempingsvaanNon ferro metalen

Schakelpunt

ZR Rev


2. Blokschema inductieve sensoren

Onbedempt Bedempt


2. Schakelafstanden en reductiefactoren

Su min. Su min. + HysteresisSr min.

Object

Sn

Sr max.

Su max.

Sr min. + Hysteresis

Sn + HysteresisSr max. + HysteresisSu max. + Hysteresis

Sa

Steel Fe 360 (St37) (1)

Stainless steel V2A (0.65 ... 0.85)

Bronze (0.25 ... 0.55)

Aluminium (0.2 ... 0.5)Copper (0.15 ... 0.45)

sa


2. Toepassing: standmelding grijper


2. Toepassing: standmelding kleppen

Klepstanddetectie

Open-oplossing


2. De aanloop naar inductieve positiebepaling.

V

2V

R

RCL

LC Q


2. Inductieve positiebepaling

Target

U[V]


2. Opbouw inductieve positiesensor


2. Werking inductieve positiesensor

Elektrisch signaal

I/U

x

transfertfunctie

Fysische opname

Positiedetectievaan

Analoge uitgang


2. Analoog signaal: inductieve positiesensor

4.0mA

20.0mA

meetbereik (80mm)


2. Digitaal signaal: inductieve positiesensor

0V / 4mA 10V / 20mA

0V

Ub (-0,7)

S1 S2

0mm x-positie (S1)

x-positie (S2)

Absolute X – positie [mm]

schakelvensterX-positie ± 1mm, hysteresis ± 0.4mm

venster ± 1mm

hystresis 0.4mm

target


2. Alternatief voor de nokkenschakelaar


2. Gecodeerde inductieve positiebepaling


2. Magnetische sensoren

KernAmorf metaal

Behuizing Aansluitkabel


2. Toepassing magnetische sensoren

Formatering cylinderwand

Veldrichting zonder magneet

Veldrichting met magneet


2. Capacitieve sensoren

s

Sensor elektroden

AfschermingObject

C = f(0, r, A, s-1)


2. Selectieve detectie met capacitieve sensoren


3. Voor veraf en kortbij

Fotocellen

Ultrasone sensoren

Kortbij & veraf

Hoge schakelfrequenties

Ongevoelig voor vuile & stoffige omgeving

Uitgebreide functionaliteit

Ruim detectiegebied

Licht

Geluid


3. Blokschema fotocellen

Zender

Ontvanger

Signaal-omvormer

Eindtrap

LED, IRED, Laser diode

Fotodiode, fototransistor, CCD, PSD


3. Gescheiden zender en ontvanger

Zender Ontvanger

Object


3. Reflector fotocellen.

zender

ontvanger

object

refector


3. Reflector fotocellen, polarisatiefilter


3. Directe reflectie

zender

ontvangerObject

Detectiebereik


3. Diffuse reflectie, energetische taster.


3. Directe reflectie, achtergrond onderdrukking

NF

T

detectie onderdrukking


3. Optische afstandsmeting

Faseverschuiving Looptijdmeting

Triangulatie


3. Triangulatie

Triangulatie hoek

OntvangerZender


3. Faseverschuiving

t

t

t

UEXO

R

Ulim

Uemit

Ureceiv

e

t~

Output signal of the limiting amplifier

Ud

Emitter and receiver signal

nfcsm

4

Meetprincipe• Het uitgezonden licht wordt frequentie-

gemodulleerd. (MHz)• Het licht dat door het object wordt weerkaatst

komt terug bij de ontvanger en is in fase verschoven.

• De hoek van de faseverschuiving wordt gebruikt om de afstand te bepalen.Met φmax = 360° of 2π

Eigenschappen• Mogelijk ontstaan foutdetecties (na 360°

faseverschuiving) • Afstanden groter dan 200 meter kunnen enkel

met complexe frequentie modulatie bereikt worden

• Laser wordt constant belast.


3. Pulse ranging technology

ncts

2

c = lichtsnelheidn = refractie indexs = afstand∆t = tijdsverschil

t

t

Δt

Verzonden signaal

Ontvangen signaal


3. Opbouw optische afstandsmeting met PRT

Object

Interface

Ontvangen

Zender

Timer

startsstops

Oscillator


3. Toepassingen optische afstandsmeting


3. Metende fotocellen

Diffuse sensor in combinatie met het triangulatieprincipe:• Ontvanger is een rij van fotodiodes• µ-processor en software sturen de zender aan en verwerken de

informatie van de ontvanger.


Position sensitive device. Zwart/wit verschil is niet helemaal

uitgesloten

Beperkte bereik: de lichtspot moet altijd op het near/far-element vallen.

Minder geschikt voor elektronische afregeling.

Photo diode array Geen zwart/wit verschil

Grotere schakelhysteresis

Ideaal voor elektronische afregeling

Verschillende schakelpunten mogelijk.

3. PSD versus diode array


3. Opbouw metende fotocel

Photo diode array

Zender

PCB met- µProcessor- IO-Link interface


3. Reflectorfotocellen met meervoudige zender


Betrouwbare en consistente detectie van de voorzijde van het object, onafhankelijk van vorm, textuur of ligging!

3. Voordurend visueel contact


3. Karakteristieken


3. Industriëele beeldverwerking

Flexibiliteit/performantie

Inte

grat

ie/k

ostp

rijs

- Smart sensor, intelligenter sensor- Complexere sensor/fotocel

Vision Sensor• Toepassingsgerichte sensoren• Instelbaar

Smart Camera /Compact Vision System

- Intelligente cameras- Compacte visie systemen

• Toepassingsgerichte sensoren• Instelbaar / programmeerbaar

Vision System

- Vrij toepasbaar, polyvalent- PCgebaseerde systemen

• vrij instelbaar• programmeerbaar


3. Visiesensoren: toepassingsbereik

Volledigheidscontrole Objectherkenning Positiebepaling

Instelbare Visie sensorvoor het uitvoeren van volgende controles:


3. Visiesensoren met geïntegreerde belichting






3. Visiesensoren met externe belichting


3. Visiesensoren met externe belichting


3. Verwerkingsalgoritmes voor visiesensoren


3. Visiesensoren voor positionering

Vervuild oppervlak Zuiver oppervlak

Zwak contrast Sterk contrast


3. 3D Visiesensoren


3. Ultrasone sensoren, werkingsprincipe

Transducer

Ontkoppellaag

PUR schuim Piëzokristal

Ultrasone-transducer

Signaal-omvormer

Eindtrap


3. Ultrasone transducer

Opgewekt signaal

Weerkaatst signaal

Verzondensignaal


3. Ultrasone sensoren: Frequentiespectrum


3. Directe reflectie bij ultrasone sensoren.

Single head type

Zender en ontvanger zitten in dezelfde behuizing (transceiver). Het object wordt als reflector gebruikt.

Eigenschappen:

Schakelbereik is afhankelijk van de vorm, grootte, opvlakte ruwheid en richting van het object.


3. Directe reflectie bij ultrasone sensoren.

Double head type

Zender en ontvanger zitten in verschillende behuizingen. Objectenkunnen enkel gedetecteerd worden op het snijpunt (gebied) van de aslijnen van zender en ontvanger. Het object wordt als reflector gebruikt.

Eigenschappen:

• Schakelbereik is afhankelijk van de vorm, grootte, opvlakte ruwheid en richting van het object.

• Detectie van kleine objecten• Achtergrond onderdrukking• Geen dode zone


3. Ultrasone looptijdmeting

2cts

object

Afstand van het object s

Sensortheen

tterug

)( terugheen ttt

)))(((

Ultrasone impuls

C = 344 m/s geluidssnelheid in lucht bij 20°C

tcs


3. Oscillogram looptijdmeting

1) Verzonden signaal

2) Echo

3) Schakelniveau


3. Detectiecurve


3. Storende echo’s

Object

Storend object

Sensor


3. Oscillogram storende echo

1) Echo afkomstig van het object

2) Storende echo

3) Schakelniveau


3. Oscillogram: adaptief schakelniveau

1) Echo afkomstig van het object

2) Storende echo

3) Schakelniveau


3. Ultrasone zender/ontvanger barrière

Zender en ontvanger worden tegenover elkaar opgesteld. Het object onderbreekt hetuitgezonden ultrasone signaal.

Eigenschappen:

• Groot bereik• Zeer bedrijfszeker• Hogere installatiekost


3. Ultrasone reflector

Zender en ontvanger zitten in dezelfde behuizing.Het ultrasone geluid wordtgereflecteerd door een vaste achtergrond die gebruikt wordt alsreflector.Het object wordt gedetecteerd dooreen gewijzigde afstand of het verlies van signaal door absorptie of afbuiging.

Eigenschappen:• Slechts 1 aansluiting• Betrouwbare detectie van zelfs

grillige objecten.• Zeer bedrijfszeker


3. Dubbele laagdetectie

De dubbele laagdetectie is gebaseerd op de configuratie van gescheiden zender en ontvanger.

De verzwakking van het ultrasone signaal wordt gemeten. Een verschil kan gemaakt worden tussen geen, één enkele en een dubbele laag.

Een microprocessor verwerkt het signaal en stuurt de overéénkomstige uitgang.


Niveaudetectie vultrechter verwerkingsinstallatie steenafval. (breker)

3. Toepassingen ultrasone sensoren


3. Toepassingen ultrasone sensoren


4. Rotatiesnelheid en hoekverdraaing


4. Draaiimpulsgevers

Lichtbron

Schijf met openingen

Opname element

Lichtstraal


4. Incrementeel


4. Magnetische incrementeel impulsgever

Poolwiel

Opnemer

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:Hall_effect.png&filetimestamp=20050410030020


4. Absoluut; singleturn - multiturn

Photodiode

Gecodeerdeschijf

LED

As

Reductor

tastvenster

Photodiode

Gecodeerdeschijf

LEDAs


4. Bouwvormen voor impulsgevers


A: Massa-veersysteem B: thermische opnemer C: vloeistofsysteem

5. Inclinatiemeting


5. Vergelijking meetprincipes voor inclinatiemeting

Technologie Voordeel NadeelMEMS - groot aanbod

- snel <1000Hz- Lage schokweerstand- Eigenfrequentie typisch tussen 1,5k-6kHz

Thermische opnemer

- Hoge schokweerstand- Geen oscillatie- Trillingsongevoelig

- klein aanbod- traag <20Hz

Vloeistof- systeem

- Hoge resolutie- Trillingsongevoelig

- duur- groot- 360° onmogelijk


5. MEMS technologie – veréénvoudige voorstelling


FN FN = m x g

9,81 m/s2

m



FN



FN



5. MEMS technologie - grootte

~ 2mm

~ 2mm


5. MEMS technologie - grootte


5. Toepassing als accelerometer, trillingsopnemer

FN

m


6. Signaalsoorten voor sensoren

pnp type

Uitgang

last

BN/3

BU/4

+ 24 VDC

Load


6. Signaalsoorten voor sensoren in ATEX bereik


6. Aansluittechniek

Ventielstekkers M12-multiports

M8 Multiports

InbouwadaptersY- / T-aftakkingen M23 en 7/8“ aansluitingen

Buskabel

Confectioneerbare aansluitingen

Aangegoten stekkerskabels M12


6. AS-interface


6. Inzetbaarheid AS-interface

Geïntegreerde oplossingAS Interface Safety

Bekabeling metAS Interface

Conventionelebekabeling

AS Interface MasterNaar

PLC

AS Interface MasterNaar

PLCI/O

I/O

NaarPLC


6. IO link


7. Vragen & bedenkingen.

Uw kontakt:Luc BervoetsPepperl+Fuchs N.V.Metropoolstraat 11B-2900 Schoten (Belgium) Tel. +32 (0)3 641 85 74Fax +32 (0)3 644 24 41Mob. +32 (0)496 268 999Email : [email protected] www.pepperl-fuchs.be

mailto:[email protected]

http://www.pepperl-fuchs.be/


Hartelijk dank!

Engineering

Sensortechnologie detecteren wordt meten (NL)