Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 1 Verze 2 Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 1 Doplněná inovovaná přednáška Zpracoval: Vladimír Michna Pracoviště: Katedra textilních a jednoúčelových strojů TUL Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.

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 s nespojitým výstupním signálem (koncové, mezní – indikace dosažení polohy, NE měření) 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..) Kontaktní koncové spínače INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Typy výstupních obvodů (nejen) indukčnostních snímačů: 3-drát, DC spínač 2-drát, DC spínač NPN, spínání minusu (přizemnění) PNP, spínání plusu (napájení) lze přepólovat INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací a mnohé další snímače polohy s nespojitým výstupem: optické ultrazvukové laserové kapacitní s Hallovou sondou INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Snímače polohy a dráhy se spojitým (kvazispojitým) výstupním signálem: lineární snímače 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 Pod pojmem „dráha“ rozumějme: lineární úsek mezi dvěma koncovými body – lineární snímače úhel natočení (hřídele) mezi krajními body – rotační snímače INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Lineární snímače plohy: Odporový (potenciometrický) snímač polohy: činitel zatížení pro lineární průběh R dává pak hodnota UZ informaci o vzdálenosti (úhlu natočení) αx ? INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací vypočtěme Uz: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací zatížení výstupu potenciometrického snímače se projeví na průběhu statické charakteristiky následovně: Důležitý závěr: vstupní impedance měřidla musí být řádově větší než odpor snímače INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací není-li dodržen požadavek Rz >> R, určí se absolutní chyba výstupního napětí Uz podle vztahu: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Výhody potenciometrických snímačů polohy: absolutní v celém rozsahu měření jednoduchý, tedy levný 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Princip činnosti magnetostrikčního snímače: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Princip činnosti LVDT snímače polohy: L2´ L1 L2´´ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací a základní matematické vztahy obvodového řešení: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Příklad uspořádání LVDT (schematicky) a typický průběh statických charakteristik L2´ L1 L2´´ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 Napětí na výstupu pravítka bude: Přiřadíme-li délce kroku K úhel 2π, pak úhel φ je úměrný posuvu jezdce proti pravítku v rámci jednoho kroku x a platí: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací d = K * (x + ¼) Pro vztah mezi posuvem jezdce proti pravítku (dráze) a výstupním indukovaným napětím na pravítku (v rámci jednoho kroku K) platí: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Princip činnosti rotačního inkrementálního snímače: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 ? INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. I3 I1 I2 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Budící napětí indukované do rotoru: Napětí indukované ve statorových vinutích: kde: k = transformační poměr (rotor – stator) φ = úhel natočení rotoru vůči statoru INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací POZNÁMKA: při napájení do statoru musí být k dispozici dvě sinusová napájecí napětí: napětí indukované v rotoru je pak: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 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 INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Technické údaje: jako příklad je uveden katalogový list resolverů českého výrobce Atas Náchod INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ