Snímače polohy II Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /7 Autor Ing. František Kocián Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-Au/2-EL-3/14 Název DUM Snímače polohy II Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/506 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Automatizace Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 19 – 20 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem, náplň: Elektromagnetické snímače, elektrodynamické snímače, optické snímače, optické snímače pro spojité měření polohy, optické snímače pro nespojité měření polohy, optické vláknové snímače (OVS), ultrazvukové snímače polohy Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Elektromagnetické, elektrodynamické, optické, optické snímače pro spojité měření polohy, optické snímače pro nespojité měření polohy, optické vláknové snímače (OVS), ultrazvukové snímače polohy Datum 21. 8. 2013

Snímače polohy II Náplň výuky Elektromagnetické snímače Elektrodynamické snímače Optické snímače Optické snímače pro spojité měření polohy Optické snímače pro nespojité měření polohy Optické vláknové snímače (OVS) Ultrazvukové snímače polohy

Elektromagnetické snímače polohy Magnetický tok snímače se mění nejčastěji změnou impedance magnetického obvodu. Na obr. 1 je princip snímače, kdy na jádro stálého magnetu je nasazena cívka s Nz závity a ve vzdálenosti „d“ od pólových nástavců magnetu je měřená feromagnetická část. Napětí ve snímací cívce je pak dáno časovou změnou magnetického toku Φ = Um/Rm, kde Um je magnetomotorické napětí a Rm je magnetický odpor obvodu. Kmitáním feromagnetické části se mění vzduchová mezera od své původní polohy o výchylku „y“ a výstupní napětí snímače je pak úměrné rychlosti pohybu. Elektromagnetické snímače jsou vhodné pro měření přímočarého i úhlového pohybu, otáček. 1 – jádro stálého magnetu 2 – snímací cívka s N závity 3 – měřená feromagnetická část (kotva) Obr. 1: Princip elektromagnetického snímače

Elektrodynamické snímače Založeny na využití principu Faradayova indukčního zákona. V magnetickém poli se pohybuje elektricky vodivý pás a za podmínky l ≤ b je naindukované napětí určeno vztahem U=Bla.v, kde B je indukce magnetického pole, la je délka aktivního vodiče (šířka vodivého pásu) a v je rychlost vodiče ve směru kolmém na magnetické siločáry. Také platí, že jestliže připojíme vodič ke zdroji stejnosměrného proudu umístěného v magnetickém poli, působí na něj síla F = B.I. la. Obr. 3: Princip elektrodynamického snímače bez sběrače Obr. 2: Princip elektrodynamického snímače přímočarého pohybu

Optické snímače Užití principů optiky umožňuje konstrukci miniaturních snímačů polohy s vysokou rozlišovací schopností limitovanou jevy při ohybu světla, tj. řádově μm. Vedle miniaturizace je jejich přednost: necitlivost vůči elektromagnetickému rušení galvanické oddělení možnost použití v hořlavém a výbušném prostředí Využívají se tři konstrukční principy vyhodnocování polohy zdroje zastínění světelného toku mezi zdrojem a detektorem interference zdrojového a odraženého paprsku Rozdělení optických snímačů snímače pro spojité měření polohy (absolutní nebo inkrementální) snímače pro nespojité měření (indikaci) polohy

Optické snímače pro spojité měření polohy Výstupem absolutních snímačů je signál s úplnou informací o poloze tím, že definuje vzhledem k referenčnímu bodu. Konstrukční realizací je kódovaný obrazec se systémem průhledných a neprůhledných ploch znázorněných pro případ rotačního pohybu, které vytvoří digitální informaci o absolutní poloze měřeného předmětu. Pro zamezení hazardů při průchodu sousedních stavů je třeba vytvořit bezpečnostní kódy např. Grayův (zrcadlový) kód), neboť při přechodu z jedné polohy do druhé dochází ke změně jen jednoho bitu. Tím je snížena pravděpodobnost chyby. Na rozdíl od inkrementálních snímačů zde nedochází k akumulaci chybových signálů.

Optické snímače pro spojité měření polohy Absolutní snímače polohy Místo rotoru je u těchto snímačů kódovaný kotouč s ryskami. Pro přímočarý pohyb slouží kódované pravítko. Kódovaný kotouč má po obvodu vzorek v několika řadách, např. tmavá a světlá políčka v příslušném kódu. Každé řadě odpovídá informace po I bitu a informace se snímá tak, že každé řadě je přiřazen jeden fotosnímač (viz obr. 4). Na obr. 4 a) je nakreslen kódovaný kotouč pro binární 5 bitový kód s 5 snímači, umožňující rozlišit 32 poloh. U kódovaných pravítek se používá délky až 1 300 mm a osm stop. Citlivost snímání dosahuje 2,5 μm. a – binární kód b – Grayův kód Obr. 4: Kódové kotoučky

Optické snímače pro spojité měření polohy Laserový interferometrický snímač polohy Patří k nejpřesnějším odměřovacím zařízením. Pro odměřování dráhy, popř. rychlosti, se využívá interference (skládání) světelných vln, případně Dopplerova jevu. Laserem vytvořený svazek paprsků dopadá pod úhlem 45° na polopropustnou plochu. Od něho se část světla odráží směrem k referenčnímu pevnému zrcadlu a část prostupuje k pohyblivému měřicímu zrcadlu, spojenému 6X s měřeným objektem. Odražené paprsky od obou zrcadel se vektorově sčítají na polopropustné ploše a odrážejí se k měřicímu zařízení, které měří jeho intenzitu prostřednictvím optoelektronického senzoru. Tato intenzita je pak úměrná kvadrátu elektrické složky takto vzniklého výsledného pole. Obr. 5: Interferometrický snímač polohy

Optické snímače pro spojité měření polohy Inkrementální snímače polohy Světlo prochází ze zdroje přes pravítko (měřítko), na kterém je soustava světlých a tmavých polí stejné šířky a roztečí T. Pravítko je pevné a potřebné délky. Clona, která je opatřena průsvitnými ploškam i se pohybuje současně se světelným zdrojem, fotosnímačem (fotodiodou, fototranzistorem) a řízeným mechanismem. Následkem různého překrývání světlých a tmavých polí vlivem vzájemného pohybu pravítka a clony se mění intenzita osvětlení fotosnímače. Na jeho výstupu po vytvarování vznikají obdélníkové impulsy napětí, které jsou čítány v čítači. Aby mohl být rozlišen směr pohybu, musí clona obsahovat soustavu dvou průsvitných plošek vzájemně posunutých např. o čtvrtinu rozteče. Stejně musí být posunuty i fotosnímače. Rovněž čítač musí být reverzibilní. Snímače se vyrábějí s rozlišovací schopností 5 až 10 um.

Optické snímače pro spojité měření polohy Inkrementální snímače polohy Obr. 6: Přímkový optoelektronický snímač polohy

Optické snímače pro spojité měření polohy Inkrementální snímače polohy Na principu Moirého interference pracuje snímač uvedený na obr. 6. Opět je zde použito pravítko a jezdec, jehož rysky jsou mírně skloněny proti ryskám na pravítku. Při vzájemném pohybu vznikají příčně se pohybující pruhy světla a tmy (Moirého interference), které jsou dvěma fotosnímači přeměňovány na elektrické signály. Fotosnímače jsou opět umístěny tak, že signály jsou posunuty o T/4, čímž lze rozlišit směr pohybu. Rysky na pravítku se zhotovují na skle fotochemickou technologií a na kovech fotolitografií. Šířka mezer a rysek na pravítku a cloně je stejná. Obr. 13: Snímač na principu Moirého interference

Optické snímače pro spojité měření polohy Inkrementální snímače polohy – kruhové (rotační) snímače Častěji se používají kruhové (rotační) snímače, u nichž se teplotní vlivy na úhlové dělení neuplatňují. Přesnost je prakticky ovlivněna jen převodem posuvného pohybu na rotační. Výrobci je označuji zkratkou IRC. Snímač se skládá z rotoru o velkém počtu rysek a clony (rotoru). Světlo dopadá na fotosnímače F1, až F4, zapojené do můstku přes průsvitné plošky ve cloně. Jeden impuls odpovídá otočení rotoru o jednu rysku. Fotosnímače jsou i zde fázově posunuty, čímž je možné opět rozlišit směr otáčení (pohybu). Primární počet rysek závisí na možnostech výrobce a bývá jich asi 2500. Tomu odpovídá 10 000 impulsů na jednu otáčku. Počtu impulsů odpovídá přesnost určení polohy. Pro 10 000 impulsů na otáčku to je konkrétně 2,16 úhlové minuty. Obr. 7: Kruhový optoelektronický snímač polohy

Optické snímače pro nespojité měření polohy Tyto snímače generují binární signál o výskytu indikovaného prvku v určité poloze. Rozdělujeme je do tří skupim: Průchozí (tzv. Jednocestná závora s odděleným vyssílačem a přijímačem a spínací vzdáleností až 100m) Reflexní – vyhodnocující odraz od snímaného objektu (tj. Bez odrazky, spínací vzdálenost do 500mm) Reflexní s odrazkou – (reflexní závora s dosahem do 10m vzhedem k většímu vrácenému světelnému výkonu než reflexe objektu. Zdroj i přijímač jsou konstrukčně spojeny do jedné jednotky. Na opačné straně sledovaného prostoruje umístěno tzv. speciální trojzrcátko. Obr. 9: Reflexní závora s polarizací světelného paprsku Obr. 8: Reflexní a průchozí optický snímač

Optické snímače pro nespojité měření polohy Optické vláknové snímače (OVS) Tyto snímače vznikly na základě vývoje a aplikací optických vláken užívaných pro přenos dat. Jejich princip vychází z důsledku Snellova zákona pro lom paprsků při dopadu na rozhraní dvou prostředí, na nemž se část záření odráží zpět do původního prostředí a část prochází do nového prostředí. Dělení OVS se provádí do dvou základních skupin: Nevlastní (externí) snímače – vyžadují vnější čidlo, vlákno přenáší signály Vlastní (interní) snímače – měřená veličina působí přímo na vlastnosti vlákna ( útlum, fáze, index lomu) Obr. 14: OVS výšky hladiny nebo složení Obr.10: Reflexní OVS polohy

Ultrazvukové snímače polohy Pracují na principu měření doby, za kterrou přijímač detekuje ozvenu ultrazvukových pulzů generovaných vysílačem a odražených od zaměřovaného objektu. Jsou ideálním řešení bezkontaktního měření vzdálenosti a polohy pro všechna průmyslová odvětví, kde může dojít k ovlivnění snímačů prachem, kouřem nebo párou. Předměty složené z různých materiálů lze detekovat s přesností na několik milimetrů, bez ohledu na barvu nebo tvar. Má dva základní funkční bloky: Vysílač ultrazvuku – magnetostrikční měnič pro nízké frekvence nebo piezoelektrický měnič pro vasoké frekvence Přijímač ultrazvuku převádějící odražené mechanické kmity na elektrické Obr. 11: Blokové schéma Obr. 12: Ultrazvukové snímače

Kontrolní otázky: Princip elektrodynamických snímačů polohy? Založeny na využití principu Faradayova indukčního zákona. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Mají schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Absolutní snímače polohy? Místo rotoru je u těchto snímačů kódovaný kotouč s ryskami. Pro přímočarý pohyb slouží kódované pravítko. Měřená veličina se vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti cívek. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Laserový interferometrický snímač polohy? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech c) Laserem vytvořený svazek paprsků dopadá pod úhlem 45° na polopropustnou plochu. Od něho se část světla odráží směrem k referenčnímu pevnému zrcadlu a část prostupuje k pohyblivému měřicímu zrcadlu, spojenému 6X s měřeným objektem.

Kontrolní otázky – řešení Princip elektrodynamických snímačů polohy? Založeny na využití principu Faradayova indukčního zákona. Založeny na využití principu Ohmova zákona. c) Mají schopnost elektronického zařízení nerušit jiný signál 2. Absolutní snímače polohy? Místo rotoru je u těchto snímačů kódovaný kotouč s ryskami. Pro přímočarý pohyb slouží kódované pravítko. Měřená veličina se vyhodnocuje prostřednictvím vzájemné indukčnosti cívek. Pracuje jako napěťový dělič s dělícím poměrem určeným měřenou polohou 3. Laserový interferometrický snímač polohy? Používá se tehdy, jestliže lze realizovat snímač převádějící rušivou veličinu na měronosnou samostatně. Umožňuje přenášet data pouze po bitech c) Laserem vytvořený svazek paprsků dopadá pod úhlem 45° na polopropustnou plochu. Od něho se část světla odráží směrem k referenčnímu pevnému zrcadlu a část prostupuje k pohyblivému měřicímu zrcadlu, spojenému 6X s měřeným objektem.

Seznam obrázků: Obr. 1: GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů Skripta VŠB - TU Ostrava 2012 Obr. 2: GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů Skripta VŠB - TU Ostrava 2012 Obr. 3: GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů Skripta VŠB - TU Ostrava 2012 Obr. 4: Absolutní snímač polohy[online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pdf Obr. 5: CHLEBNÝ, J. a kol., Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 Obr. 6: Závislost I [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: Obr. 7: Kruhový optoelektronický snímač polohy [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).pd Obr. 8: CHLEBNÝ, J. a kol., Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 9: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 10: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., Obr. 11: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s.,

Seznam obrázků: Obr. 12: ultrazvukové snímače [online]. [vid. 21.8.2013]. Dostupný z: http://www.pepperl-fuchs.cz/czech_republic/cs/classid_182.htm Obr. 13: Závislost I [online]. [vid. 15.8.2013]. Dostupný z: http://www.strojar.com/upload/skripta/notime/Technicka_mereni_(OCR).p Obr. 14: CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6

Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupný z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 [3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta VUT Brno 2002 [4] JENČÍK, J., VOLF,J., a kol., Technická měření, Skripta, ČVUT, 2003 [5] GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů, Skripta VŠB – TU, Ostrava, 2012

Děkuji za pozornost 