Roboty a manipulátory Snímače RaM I. Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Filip Škeřík Michal Růžička Vladislav Bezouška

K čemu slouží SNÍMAČE ROBOTŮ? Odměřování polohy v prostoru Regulace dynamických pohybových veličin Snímače pro technologické operace (měření,..) Kalibrace Speciální

Základní rozdělení Podle funkce Dle druhu práce se signály Absolutní Inkrementální Dle druhu práce se signály Analogová Digitální Dle vazby na měřený objekt Dotyková Bezdotyková

Druhy snímačů Indukční Kapacitní Magnetické Optické Ultrazvukové

Indukční senzory

Základy Princip snímače je založen na změně impedance cívky vlivem vířivých proudů indukovaných ve snímaném předmětu Pracují bezdotykově Bez zpětného působení Jsou odolné vůči vlivům provozního prostředí Vysoká spolehlivost

Použití Náhrada mechanických koncových spínačů Zpětné hlášení polohy akčního členu (ventilu,..) Inspekční úloha Počítání kusů Regulační úloha (poloha, rychlost)

Princip Aktivním prvkem je cívka umístěná na jádru poloviny feritového hrníčku. Vysokofrekvenční střídavý proud generovaný oscilátorem protéká cívkou a vytváří magnetické pole, které vystupuje z otevřené strany hrníčku = aktivní plocha senzoru. Jestliže se nachází v blízkosti této aktivní plochy předmět z elektricky vodivého materiálu, dojde k deformaci magnetického pole

Princip

Blokové schéma

Principiální schéma oscilátoru

Druhy provedení Válcové a kvádrové tvary Základní konstrukční provedení je válcový tvar Jedna čelní plocha je zároveň aktivní plocha snímače Pouzdro z plastu nebo kovu Provedení hladké a ze závitem Na aktivní ploše se nachází cívkový systém

Vnitřní uspořádání válcového senzoru

Spínací vzdálenost Je vzdálenost mezi clonkou a čelem senzoru, při které dojde ke změně výstupního signálu Jako měřící clonka je předepsána destička silná 1mm Jmenovitá spínací vzdálenost je pouze charakteristická veličina bez ohledu na nějaké tolerance Bývá uvedena v typovém znaku senzoru

Spínací vzdálenost

Spínací vzdálenost Reální spínací vzdálenost musí být splněna při jmenovitém napájecím napětí a při teplotě okolo 20 oC Odchylka je povolena max. o +10% Užitná (provozní) spínací vzdálenost je ta, která musí být splněna v celém rozpětí napájecího napětí a okolní teploty Pracovní vzdálenost je ta, ve které je snímač, za předpokladu dodržení provozních podmínek bezpečně aktivován Leží mezi nulou a nejmenší hodnotou užitné vzdálenosti

Hystereze Hystereze je rozdíl vzdáleností dvou bodů při axiálním pohybu clonky v jednom a druhém směru, ve kterých došlo k sepnutí a rozepnutí výstupu senzoru Typická velikost je v rozpětí 1…15% Reprodukovatelnost je definována jako přesnost minimálně dvou měření v časovém úseku osmi hodin, při teplotě okolí 15…30 oC a napětí jmenovité hodnoty Obvyklá hodnota je max. 2 %

Provedení snímací hlavy

Senzory s redukčním faktorem 1 Dosažení větších spínacích vzdáleností požaduje vysoký činitel jakosti Proto se cívky vinou na feritových jádrech Vyšší činitel jakosti znamená i delší reakční dobu senzoru = omezení spínací frekvence Ovlivňování činitele jakosti cívky závisí na poměru specifikované vodivosti a permeabilitě snímaného předmětu Největší spínací vzdálenost dává konstrukční ocel

Zářezové senzory Nazývané indukční závory Mají dva proti sobě umístěné cívkové systémy, které vytvářejí transformátor s velkou vzduchovou mezerou a volnou vazbou Každá cívka představuje jedno vinutí oscilátoru V nezatlumeném stavu stačí vazba obou cívek kmitání oscilátoru Jestliže vnikne do zářezu (mezi cívky) kovová clonka, dojde opět k indukci vířivých proudů a vzájemná vazba se sníží Při určité hloubce vniku dojde k podkročení kritické zpětné vazby natolik, že oscilátor přestane kmitat a senzor změní výstupní signál

Schéma zapojení indukční závory

Kruhové senzory Používá se feritový kroužek, který cívku po obvodě obepíná Působí jako odstínění magnetického pole vně snímače, takže aktivní prostor leží uvnitř cívky Jakmile se kovový předmět nachází uvnitř kroužku, oscilátor se zatlumí Aplikačním příkladem je zjišťování celistvosti tyčí nebo drátů, které jsou transportovány snímačem

Cívkový systém kruhového senzoru

Selektivní senzory Jsou speciálně konstruovány pro úlohy, v nichž se musejí rozlišit feromagnetické a neferomagnetické materiály Používají se k zjištění přítomnosti hliníkového obrobku v ocelovém upínači Na feritový hrníček je navléknut specificky tvarovaný kroužek, který předtlumení vyvolá a tím sníží činitele jakosti ani na polovinu nezatlumeného stavu

Analogové senzory Nemají spínací bod Výstupní signál je spojitý Funkční vzdálenost tlumící clonky sahá téměř od čela snímače až k jmenovité hodnotě užitné vzdálenosti a definuje tak jeho pracovní rozsah Tvar pouzdra je válcový nebo kvádrový Systém snímání je základní jednocívkový

Analogové senzory

Rozhraní indukčních senzorů Z hlediska napájení: stejnosměrné a univerzální Dvou, tří a čtyř drátové připojení Výstup může být: spínací, rozepínací, přepínací Na straně senzoru realizuje rozhraní koncový stupeň Ten je vazebním článkem mezi senzorem a zákaznickým rozhraním (relé, PLC, ..) a musí splňovat požadavky: napájení senzoru, vyhodnocování signálu, převod signálové úrovně a zesílení, potlačení rušení, ..

Stejnosměrné senzory Jsou k dispozici dvou, tří a čtyř drátové provedení Dvoudrátové se připojují k zátěži sériově Nemají definovanou polaritu vodičů a chovají se tak jako magnetický kontakt Tří a čtyř drátové mají napájení oddělené Pro spínání zátěže mají jeden nebo dva výstupy Rozlišuje se plusové a mínusové spínání, podle toho zda koncový tranzistor připojuje zátěž ke kladnému nebo zápornému pólu napájecího zdroje

Stejnosměrné senzory Připojení dvou, tří a čtyř drátových senzorů

Řazení senzorů Maximální počet v sérii zapojených senzorů je omezen součtem napěťových úbytků každého senzoru a tím dodržením nezbytného napětí pro zátěž U tří drátových je třeba dát pozor při zapínání na vnitřní časové zpoždění každého snímače označované jako doba ustálení, které způsobí prodloužení reakční doby celé soustavy

Řazení senzorů

Řazení senzorů

Ochrana proti přetížení výstupu Nebezpečí přetížení koncového stupně spočívá v nárůstu ztrátového výkonu a tím teploty výstupního polovodičového prvku na nepřístupnou hodnotu, což by vedlo k jeho zničení Ochrana proti přetížení je použití termistoru skladným teplotním součinitelem do série se zátěží Další ochrana je omezení výstupního proudu na konstantní hodnotu Nejpružnější je taktované přetížení = jestliže vznikne přetížení, výstup zátěž odepne a po určité době (100 ms) ji opět zapne

Příklady použití Kontrola správného umístění plechovky Zjištění přítomnosti hliníkové tuby na ocelovém trnu Hlídání krajních poloh pneumatického ventilu v prostředí s nebezpečím výbuchu

Kapacitní senzory

Kapacitní senzory Pracují jako indukční senzory Bezdotykově, bez zpětného působení, s polovodičovým výstupem Dají se s nimi detekovat kovové i nekovové materiály Aplikace: snímání nekovových předmětů, hlídání kapalin a sypkých hmot

Princip Aktivním prvkem kapacitního senzoru je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra, které působí jako stínění Obě tyto elektrody vytvářejí kondenzátor Přiblížením clonky ke snímací ploše senzoru se změní kapacita kondenzátoru Kondenzátor je součástí RC oscilátoru, jehož výstupní napětí je závislé na aktivní kapacitě mezi elektrodou senzoru a stíněním

Kapacitní senzory

Blokové schéma kapacitního senzoru

Citlivost Je definována jako změna kapacity, při které se změní signál na výstupu senzoru Abychom získali představu o velikosti potřebné změny, sledujeme případ uzemněné vodivé clonky Problém je možné zredukovat na kondenzátor s kruhovými deskami o průměru 30 mm

Redukční činitel V závislosti na materiálu nevodivé clonky vychází rozdílní uměna kapacity Tento jev je pozorovatelný na výstupu jako změna spínacího bodu Proto se definuje materiálově závislý redukční činitel Ten říká kolikrát se zmenší spínací vzdálenost u daného materiálu clonky vzhledem ke jmenovité spínací vzdálenosti, která platí pro uzemněnou kovovou clonku

Praktické provedení, RC oscilátor

Rušivé vlivy Hlavní zdroje rušení jsou elektromagnetická střídavá pole Ta indukují do vysokoimpedančního vstupu oscilátoru přes snímací elektrodu rušivá napětí, která vybudí jeho kmitání Zdroje těchto polí jsou zářivky, magnetické ventily, tyristorové regulátory nebo radiové vysílače Rušení se dají odstranit změnou frekvence oscilátoru, pokud síla pole není příliš velká

Kompenzace znečištění čelní plochy Účelem této kompenzace je, aby spínací vzdálenost i při znečištění čelní plochy (kapky, prach) zůstala zachována Dosahuje se toho použitím přídavné kompenzační elektrody ve tvaru hrníčku, která je umístěna mezi snímací elektrodu a stínění a je připojena na výstup Jedná se o tzv. aktivní stínění, kdy sousední elektrody jsou na stejném potenciálu a kapacitní proud může téci

Kompenzace znečištění čelní plochy

Příklady realizovaných aplikací Hlídání výšky hladiny tabletek na dopravníku Hlídání úniku kapalin, hlídání netěsnosti na mechanických spojích

Magnetické senzory

Magnetické senzory Jsou založeny na principech známých z měření magnetického pole Zdrojem magnetického pole bývá trvalý magnet, který je umístěn na snímaném předmětu Magnet můžu být i součástí senzoru, pak musí být snímaný předmět feromagnetický

Nejčastější aplikace Snímání poloh pneumatických válců Snímání hladin kapalin a sypkých materiálů (magnet je v plováku) Jednoduché identifikační systémy

Magnetické pole válcového magnetu ovlivněné feromagnetickým předmětem

Senzory s Hallovou sondou Vektor magnetické indukce B je kolmý k destičce. Tím začne působit napříč proudu intenzita elektrického pole E=v.B a zároveň E=UH/b Součinitel 1/n.e se nazývá Hallova konstanta RH [cm3/A.s]

Senzory s Hallovou sondou Koncentrace vodivých elektronů je u běžných polovodičových materiálů silně teplotně závislá a u čistých kovů je RH pro měřící účely příliš malý Nejvhodnější materiál pro Hallovy destičky je GaAs Použitá planární technologie výroby dovoluje umístit na destičce ještě další funkční prvky jako jsou proudový zdroj, teplotní kompenzace a výstupní zesilovač

Vnitřní zapojení magnetického senzoru s Hallovou sondou

Aplikace čidla v senzoru přiblížení Prvním opatřením je umístit na snímaném předmětu magnet Se zvětšující vzdáleností mezi magnetem a sondou se snižuje její napěťový signál Další varianta snímání je použití ocelové destičky jako snímací předmět, který vyvolá deformaci magnetického pole a tím zmenšení indukce na sondě Senzor s Hallovou sondou je možné použít i pro zjišťování úhlu natočení Odklánění magnetu od kolmice vyvolá snížení napětí sondy dle funkce cos(α)

Magnetorezistivní sondy Rezistory závislé na magnetickém poli dokáží totéž co Hallovy sondy Nejčastější použití je pro senzory přiblížení Nejvíce používaným materiálem je polovodičová destička, často InSb, ve které jsou příměsi NiSb Bez magnetického pole prochází proud polovodičem nejkratší cestou. Když začne působit magnetické pole, proud se stranově vychýlí, musí urazit delší dráhu a destička vykáže větší odpor

Aplikace čidla

Senzory s nasycovaným jádrem cívky Původně se používaly pro zjišťování slabých magnetických polí, především v geofyzice k měření zemského magnetizmu Využívají nelinearity magnetizační křivky měkkých magnetických materiálů s vysokou permeabilitou Materiál jádra je uvnitř magnetizační cívky a je periodicky nasycován Ve druhé, snímací cívce sondy se indukuje napětí

Blokové schéma senzoru s nasycovaným jádrem čidla

Použití V průmyslu našly uplatnění především sondy s přesycovaným jádrem Vůči Hallovým a magnetorezistentním sondám mají řádově vyšší citlivost Zkompletovaný magnetický senzor má při stejných rozměrech větší dosah než dosah senzor indukční a může být umístěn i v hliníkovém pouzdře Nevýhodou je nutnost použití magnetu na snímaném předmětu

Snímací charakteristika magnetoindukčního senzoru

Díky velké citlivosti se magnetoindukční senzory hodí pro pneumatické válce všech průměrů Potřebná magnetická indukce na příložné, akční ploše senzoru může mít velké rozpětí 3,5 … 35 mT Tím nejsou kladeny na magnet žádné velké nároky Magnet může být umístěn spolu s čidlem uvnitř pouzdra senzoru

Příklad realizovaných aplikací Hlídání dolní a horní meze agresivní kapaliny Hlášení krajní polohy pneumatického válce

Optické senzory

Optické senzory Přesněji: optoelektronické nebo fotoelektronické Nejvíce používané senzory v průmyslové automatizaci Aplikace: dopravníkové úlohy, regulace polohy navíjených pásů, hlídání rozměrů na velké vzdálenosti, hlídání hladin, inspekční úlohy s rozlišením barvy Stále menší rozměry a vyšší výkonnost

Fyzikální základy Přeměna elektrického proudu na elektromagnetické vlnění (světlo) a naopak Pod pojmem světlo se rozumí elektromagnetické spektrum od ultrafialové oblasti přes oblast viditelného světla až po infračervené oblasti Důležité moderní vysílací prvky jsou luminiscenční diody (LED) a polovodičové laserové diody Jako přijímací prvky se používají fotodiody, fototranzistory a diody s laterálním efektem (PSD)

Luminiscenční diody Jsou polovodičové prvky, které mají jeden PN přechod Přiložením napětí v propustném směru přechodu a z toho plynoucí proud I dochází ke vstřikování elektronů do pásma P a der do pásma N Aby se při tomto vstřikování dostal elektron z energetické úrovně valenčního pásma E1 na vyšší energetickou úroveň E2 , musí se mu dodat minimální energie

Laserové diody Polovodičové lasery obsahují v každém případě vysoce dotovaný přechod PN na bázi GaAs Vstřikováním nosičů náboje je vytvořen předpoklad pro vyzařující rekombinaci Indukovaná emise a optická rezonance v polovodičovém krystalu propůjčují laseru jeho typickou vlastnost – emitovat koherentní světlo. Koherence znamená, že jednotlivá kvanta světla mají stále stejnou frekvenci a stále stejnou fázi

Jednoduchá (vlevo) a dvojitá heterogenní struktura polovodičového laseru

Fotodiody PN a PIN Úkolem fotodiod je převod přijatého světelného signálu na elektrický proud Jestliže u luminiscenční diody vyvolá vstřikování nosičů náboje v přechodu PN vyzařující rekombinační procesy, pak se u fotodiody jedná o pochod obrácený Na základě různých koncentrací nosičů v oblasti P a N, vytvoří se bez vnějšího působení tzv. zóna prostorového náboje, která pohyblivé nosiče náboje neobsahuje

Činnost fotodiody PN

Zapojení fotodiody v propustném (vlevo) a závěrném směru

Dioda PIN Je tvořena přechodem, který má vrstvu s vlastní vodivostí uzavřenou mezi vrstvy P a N Tím dojde k převaze driftových proudů a PIN dioda získá na rychlosti Má vyšší mezní kmitočet a kratší dobu náběhu Širší zóna prostorového náboje u PIN diody působí zmenšení kapacity přechodu v závěrném směru, která ve spojení se zamýšlenou zátěží představuje dolnofrekvenční propust Tím se podstatně zrychlí dynamické chování systému

Fototranzistory Jsou to fotodiody s tranzistorem jako zesilovačem fotonového proudu Dynamické chování je ve srovnání s fotodiodou relativně horší Proti fotodiodám není u fototranzistorů závislost mezi dopadajícím světelným výkonem a z toho plynoucím proudem fotonů již zcela lineární, a v rozsahu čtyř dekadických řádů se odchyluje od přímky až o 20% Nepříznivá je i teplotní závislost

Liniový optoelektronický prvek PSD Dioda s laterálním=stranovým efektem (Position Sensitive Detector) Jedná se o variantu PIN diody Principiálně představuje PSD fotodiodu s přijímací světlocitlivou plochou ve tvaru pásku Na obou čelních stranách této struktury jsou umístěny dva kontakty k1 a k2 Na spodní straně se nachází společný kontakt substrátu PSD má vedle odporu přechodu ještě odpor na něj kolmý – odpor osvětlované plochy

Reflexní senzor Mají nejblíže k senzorům přiblížení – zjišťují přítomnost nějakého pro technologii určujícího předmětu Snímají nebo měří světlený výkon a porovnávají ho s nastavenou požadovanou hodnotou Umění vzdálenost již přesně změřit a umějí také zpracovat další optické parametry jako kontrast a barvu

Reflexní senzor

Reflexní senzor v difúzním provedení

Reflexní senzor s pevnou vzdáleností potlačení pozadí Metoda vyhodnocení je založena na použití dvou různě směrovaných přijímačů a na porovnávání intenzit světla, které na ně dopadlo Jedná se pouze o poměr intenzit, na jejich velikostech téměř nezáleží Přítomnost objektu bude signalizována výstupen jen tehdy, bude-li intenzita světla na P2 rovna nevo větší než na přijímači P1

Reflexní senzor s pevnou vzdáleností potlačení pozadí

Reflexní závora U reflexních závor se světlo vyzařuje vysílačem a od odrazky se vrací zpět Při přesušení optické dráhy objektem dojde k aktivování výstupu senzoru Reflexní závory mají dosah 0,1 až 10 m Reflexní závory připouštějí zjišťování pouze netransparentních objektů Efektivní paprsek má tvar kužele, jehož základnou je právě odrazky

Reflexní závory

Reflexní závora

Činnost jednocestné závory

Vláknová optika Světlovodič je vytvořen z transparentních skleněných nebo plastových vláken, které slouží k tomu, aby přenášely světelnou energii Jsou to pouze pasivní prvky, které se připojuji v místech, kde u kompaktních senzorů byly čočky Vláknová optika nabízí komplexní odolnost senzoru vůči prostředí a rušení Optické vlákno je válcový dielektrický vlnovod zhotovený z nízkoztrátového materiálu Obsahuje skleněné nebo plastové jádro obalené vrstvou materiálu – plášťem, který má nižší hustotu a tudíž nižší index lomu než jádro

Vláknová optika

Konstrukce skleněného světlovodiče

Rušivé vlivy u optosenzorů

Triangulační metoda Místo lineárního přijímacího prvku se používá dvojice fotodiod se společnou anodou (nebo katodou) a v technické dokumentaci se jí říká diferenciální fotodioda Použití triangulační metody se dosahuje nezávislosti snímání na intenzitě světla Používá se především u analogových senzorů pro měření vzdálenosti Je potřeba, aby přijímač uměl vyjádřit proměnnou polohu stopy paprsku

Optoelektronická triangulace

Příklady realizovaných aplikací Zjišťování přítomnosti průhledné fólie Obsah průhledných obalů Zjišťování chybné etikety Zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní lince

Ultrazvukový senzory

Fyzikální základy Ultrazvukem označujeme akustické vlny ve frekvenčním rozsahu nad hranicí lidské slyšitelnosti Horní hranice ultrazvuku se dnes bere 1GHz Zvuk vzniká chvěním hmoty, která toto chvění předává hmotným částicím prostředí, například vzduchu Zvukové vlny se mohou šířit jen hmotou Vzduchoprázdnem se nešíří Ve vzduchu nastává zhušťování a zřeďování čístic

Vznik ultrazvukové vlny Dvě sousední místa maximálně nebo minimálně zhuštěných částic tvoří zvukovou vlnu

Odraz a lom na mezních plochách Podélná zvuková vlna se na mezní ploše mezi dvěma médii rozdělí na část odraženou a na část prošlou Když je médiem pevná látka, vznikne vedle podélného stlačování i přímé V tomto případě vzniknou u odražené i prošlé vlny vedle podélných složek také složky příčné Obecně se tyto podélné i příčné složky odrážejí, případně lámou pod různými úhly

Energie a intenzita vlnění Šíření vlnění je vždy spojeno s přenosem energie Energie se šíří od zdroje rychlostí šíření vlnění Jelikož vyzářená energie roste s časem, je lepší se vyjadřovat výkonem přenášeným vlněním Tento výkon se vztahuje na jednotku plochy kolmé ke směru šíření vlnění a nazývá se měrný výkon

Směrová vyzařovací a snímací charakteristika, dosah 4 m

Snímací charakteristika ultrazvukového senzoru pro různé druhy snímaných předmětů

Činnost ultrazvukových senzorů Senzory pro měření vzdálenosti pracují na principu měření času odezvy (echa) Poněvadž se vyhodnocení odezvy provádí na stejném místě jako byl ultrazvukový signál vyslán, označuje se takový způsob snímání jako reflexní nebo difuzní podle analogie s optickými senzory Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulzů, které se šíří daným prostředím rychlostí zvuku c Narazí-li tato dávka na nějaký předmět, část vlnění se odrazí a dojde po době návratu zase zpátky k senzoru

Činnost ultrazvukových senzorů Odezva, která se vrátí v čase t1 je detekována buď stejným měničem, nebo samostatným druhým měničem (přijímačem) a potom zesílena v následujícím zesilovači na signál schopný dalšího zpracování Vyhodnocovací elektronika zjišťuje vzdálenost předmětu Měří čas běhu signálu tím, že v bodě t0 měření nastartuje a v bodě t1 s příchodem odezvy měření zastaví Jestliže se pro vyslání a příjem používá jediná měnič, je to systém jednoduchý

Blokové schéma jednosystémového ultrazvukového senzoru

Blokové schéma elektroniky přijímače a vysílače

Ultrazvukové senzory Vedle vysílací a přijímací části potřebuje ultrazvukový senzor jednotku k řízení taktování a k vytvoření výstupního signálu Jelikož tato jednotka musí plnit komplexní řídící úkoly, je vhodné ji realizovat mikropočítačem Vyhodnocovací elektronika prování: taktování, řízení šířky vysílacích impulzů, zjišťování doby běhu odezvy, rozpoznání rušivého zvuku, řízení výstupů a test samokontroly Mikropočítač dává k dispozici rozhraní pro komunikaci s nadřazeným systémem

Ultrazvukové senzory v režimu závory Reflexní závora: označována jako dvoucestná, u které jsou vysílač i přijímač v jednom pouzdru a odraz zajišťuje reflektor Jednocestná závora: u které vysílač i přijímač jsou v samostatných pouzdrech a jsou umístěny proti sobě U obou druhů provozu jsou vysílač i přijímač řízeny impulzem definované délky, který vyrábí vyhodnocovací jednotka

Činnost senzoru v režimech reflexní závory

Definice rozsahů ultrazvukového senzoru, vyzařovací charakteristika

Vyzařovací charakteristika Je definována vyzařovacím úhlem a dosahem Aktivní rozsah je maximální dosah, uvnitř kterého může senzor zjistit přítomnost normou definovaného předmětu Definovaný předmět je tuhá, hladká a čtvercová destička, obvykle 100x100x1 mm, umístěna kolmo k ose vyzařovací charakteristiky

Snímání polohy desky

Příklady realizovaných aplikací Počítání průhledných tvarovaných plastových lahví Detekování přítomnosti lahví v prostředí se stříkající vodou Zjišťování výšky hladiny materiálu pohlcujícího zvuk

Děkuji za pozornost