Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 2 Verze 1 Snímače polohy, dráhy a jejich derivací - 2 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 Snímače rychlosti: lineární (často se převádí na rotační měření): indukční - elektromagnetické (s pohyblivým magnetem) indukční - elektrodynamické (s pohyblivou cívkou, vhodné pro měření rychlosti kmitů – pozor, ne frekvence) laserové ultrazvukové přírůstkové (induktosyn v režimu měření rychlosti – frekvence výstupních impulzů) rotační: tachodynama (tachoalternátory) stroboskopické přírůstkové (inkrementální snímač v režimu měření rychlosti – frekvence výstupních impulzů) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Indukční snímače rychlosti (aktivní, NE indukčnostní - pasivní), pracují na principu Faradayova indukčního zákona: u – indukované napětí ve vodičích cívky s N závity (okamžitá hodnota) - magnetický tok spjatý s cívkou (v čase proměnný) t – čas Podle způsobu realizace časové změny spjatého magnetického toku dělíme indukční snímače na: elektromagnetické – působením měřené (neelektrické) veličiny se mění velikost magnetického toku  v pevné cívce s N závity a měronosnou veličinou je transformační indukované napětí  lze použít pro měření časově proměnných veličin elektrodynamické - působením měřené (neelektrické) veličiny se mění počet závitů N spjatých s konstantním magnetickým tokem a měronosnou veličinou je pohybové indukované napětí  lze použít pro měření časově proměnných veličin INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Elektromagnetické snímače rychlosti: Principiální uspořádání: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

0 - permeabilita (magnetický odpor) vzduchu (1,256 .10-6 H/m) Snímače polohy, dráhy a jejich derivací okamžitá hodnota indukovaného napětí přičemž - magnetický tok permanentního magnetu FM – magnetomotorické napětí permanentního magnetu RM - magnetický odpor vzduchové mezery (magnet. odpor feromagnetika zanedbán) S - průřez vzduchové mezery (pólových nástavců) 0 - permeabilita (magnetický odpor) vzduchu (1,256 .10-6 H/m) a z toho INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací a pro x  d je: tedy EFEKTIVNÍ hodnota NAPĚTÍ snímače je úměrná střední RYCHLOSTI pohybu Bude-li se měřený objekt HARMONICKY pohybovat kolem klidové polohy s konstantním úhlovým kmitočtem ω, t.j. a magnetický obvod bude konstruován tak, aby se magnetický tok  měnil také harmonicky, t.j.: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací pak a pro ω = konst je tedy efektivní hodnota indukovaného napětí je úměrná AMPLITUDĚ mechanických kmitů Xm Příklad aplikace pro přímočarý a rotační pohyb: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Elektrodynamické snímače rychlosti: Principiální uspořádání: B – indukce magnetického pole (stacionární) l – aktivní délka vodiče ( v magnet. poli) v – rychlost pohybu vodiče (dynamo - platí pravidlo PRAVÉ ruky) (motor – platí pravidlo LEVÉ ruky) POZNÁMKA: vektory všech tří veličin (B, l, v) jsou na sebe vzájemně KOLMÉ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací indukované STEJNOSMĚRNÉ napětí (v 1 vodiči): Příklad aplikace pro přímočarý pohyb a schematické znázornění (absolutní senzor kmitavého pohybu a jeho model): Mechanická kmitavá soustava tvořená: m - hmotnost cívky s kostrou (seismický prvek) M - pouzdro senzoru, spojené s měřeným objektem b - tlumení úměrné rychlosti pohybu (viskozní tlumení) k - tuhost pružiny u - indukované napětí INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Mechanická kmitavá soustava tvořená: m - hmotnost cívky s kostrou (seismický prvek) M - pouzdro senzoru, spojené s měřeným objektem b - tlumení úměrné rychlosti pohybu (viskozní tlumení) k - tuhost pružiny u - indukované napětí Pro rovnováhu sil k měrnému (virtuálnímu) bodu A platí (pohybová rovnice): (součet setrvačné, tlumící a direktivní síly je nulový) dále platí: INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací a dosazením: Pro harmonický pohyb měřeného objektu t.j.: jsou významné dva případy: rezonanční úhlová frekvence 1) úhlová frekvence měřeného objektu kritické tlumení viskozní tlumení amplituda harmonického pohybu senzor v režimu ZRYCHLENÍ (akcelerometry) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací 2) senzor v režimu měření amplitudy, t.j. DRÁHY pohybu (vztažný bod A leží uvnitř senzoru) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Aplikace pro otáčivý pohyb: stejnosměrné (tachodynama) nebo střídavé (tachoalternátory) Hlavní požadavky na: linearitu minimální zvlnění indukovaného napětí výstupní (indukované) napětí naprázdno konstrukční konstanty  Lze použít jako snímače: úhlové rychlosti (ω) nebo otáček (n) derivace úhlového natočení hřídele (φ) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Příklad - elektronicky komutované tachodynamo: Konstrukčně se jedná o synchronní 6-pólový stroj, jehož rotor s permanentními magnety je uspořádán tak, aby výsledná magnetická indukce ve vzduchové mezeře měla téměř obdélníkový průběh. V důsledku toho se indukují ve statorovém trojfázovém vinutí lichoběžníková napětí, časově vůči sobě posunutá a překrývající se. Polohové signály GU, GV, GW, které jsou generovány pomocí Hallových sond, řídí elektronický usměrňovač tak, že z kladných a záporných lichoběžníkových napětí UU, UV, UW vybírají konstantní úseky a vytvářejí výstupní analogový stejnosměrný signál tachodynama. Jedné otáčce rotoru odpovídá 3 x 6 =18 částí, výstupní signál má minimální zvlnění a jeho velikost je úměrná rychlosti INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Princip činnosti elektronicky komutovaného tachodynama INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Pohled na tachodynamo INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Snímače zrychlení: Princip funkce snímačů zrychlení vychází ze druhého Newtonova zákona (působení síly F na setrvačnou hmotu m): F = m * a INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Pro soustavu podle obrázku platí: Pro harmonický pohyb měřeného objektu, t.j. Jsou významné dva případy: ω  ω0 , b  bkr  rezonanční úhlová frekvence ω  úhl. frekvence měřeného objektu  kritické tlumení b  viskozní tlumení snímače (mech.) amplituda harmonického pohybu snímač v režimu ZRYCHLENÍ INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací ω  ω0 , b  bkr  snímač v režimu měření amplitudy pohybu, t.j. DRÁHY (vztažný (virtuální) bod leží uvnitř snímače) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Používané snímače: piezoelektrické indukčnostní (elektrodynamické) kapacitní (méně často) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Piezoelektrické akcelerometry - aktivní: Využívá schopnosti piezoelektrických krystalů vytvářet náboj v důsledku mechanického namáhání. Pro větší citlivost se používá dvojice piezoelektrických elementů. Vnitřní tlumení piezoelektrického materiálu je velmi malé, lze měřit vibrace až do řádu 3*104 Hz INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Existují tři základní druhy křemíkových akcelerometrů: piezoelektrické, piezorezistivní kapacitní Piezoelektrické nelze využít pro statické měření, protože nejsou citlivé na statickou akceleraci (na př. gravitace). U piezorezistivních akceleroemtrů se pohybem závaží vytváří tlak na piezorezistor, který mění svůj odpor. Lze s nimi měřit i neměnné zrychlení. Kapacitní senzory jsou založeny na kapacitě tvořené vzájemnou polohou desek kondenzátoru při působení akcelerace. Existují dvě varianty: akcelerometry se zpětnou vazbou a bez zpětné vazby. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Křemíkový akcelerometr používá křemíkovou pružinu a křemíkové závaží. V uspořádání bez zpětné vazby je akcelerace měřena jako posun závaží. Klasické nedostatky jsou: nelinearita, vliv akcelerace kolmé na osu citlivosti, hysterezní charakter, větší šum. Akcelerometry se zpětnou vazbou používají vnitřní sílu, která vrací snímací elementy do rovnovážné polohy. Ta je rovna velikosti vnější působící síly, je měřena a je úměrná měřenému zrychlení. Typicky se používá síla magnetická, piezoelektrická nebo elektrostatická. Zmenší se na minimum nelineární charakter měřené křivky, zvětší se dynamický rozsah a šířka frekvenčního pásma. Hysterezní efekt je minimalizován a je dosahováno vyšší přesnosti. Pro větší přesnost se používá uspořádání se zpětnou vazbou. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Indukčnostní (elektrodynamické) akcelerometry - aktivní: Pohybem systému kmitá cívka v poli permanentního magnetu, v cívce se při pohybu indukuje napětí, které je přímo úměrné rychlosti. Vlastní kmitočet elektrodynamických senzorů se pohybuje v rozmezí 5 až 10Hz. Pokud přidáme tlumení (tlumicí závit, uložený pod cívkou) lze dosáhnout frekvence od 1Hz do 3000Hz. INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Kapacitní akcelerometry: Pro kapacitu deskového kondenzátoru platí: kapacitu lze měnit: změnou velikosti (společných) ploch (S) změnou vzdálenosti desek (d) změnou dielektrické konstanty (permitivity) dielektrika mezi deskami (ε) C – kapacita kondenzátoru (F) ε0 – permitivita vakua (= 8,859. 10-12 F/m) ε - relativní permitivita dielektrika (-) S - společná plocha desek (m2) d - vzdálenost desek (m) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Příklad řešení kapacitního akcelerometru MEMS: (MEMS - Micro–Electro–Mechanical System) anchors – spojení s kmitajícím objektem main beam – seismická hmotnost cell – diferenční kapacitní snímač INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Příklad použití v autoprůmyslu: k regulaci klepání u spalovacích motorů, pro vybavení airbagu, k vybavení předepínače bezpečnostních pásů, jako detekce převrácení (vypnutí zapalování, uzavření přívodu paliva), ke snímání zrychlení v zatáčkách, v protiblokovacím systému (ABS) při elektronickém řízení stability (ESP) k regulaci podvozku Zrychlení se často udává jako násobek gravitačního zrychlení g (9,81 m/s2) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací Piezoelectric accelerometer Model 23 (Endevco) INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ

Snímače polohy, dráhy a jejich derivací INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ