Bezstykowy pomiar różnicowy wielkości geometrycznych

Bezstykowy pomiar róŜnicowy wielkości geometrycznych
za pomocą optycznych czujników odległości micro-epsilon
Podczas typowego pomiaru wielkości geometrycznych (np. grubości) obiektów, które
są w ruchu, zachodzi szereg szkodliwych zjawisk wpływających na wiarygodność
pomiaru jak np. drgania i fluktuacje obiektu. W sytuacji takiej znacznie bardzie
wiarygodne odczyty uzyskuje się za pomocą pomiaru róŜnicowego z dwóch
naprzeciwległych czujników sprzęŜonych ze sobą.
X [mm]
Idea pomiaru róŜnicowego polega na sprzęŜeniu dwóch synchronicznie działających ze sobą
czujników i odejmowaniu mierzonych przez nie wartości od pewnej stałej. Dzięki takiemu rozwiązaniu
gdy obiekt mierzony się porusza wewnątrz pola pomiarowego, wartość mierzona nie zmienia się, gdyŜ
następuje stała kompensacja. Gdy na skutek ruchu obiektu wartość mierzona z jednego z czujników
rośnie to wartość mierzona z drugiego z czujników maleje proporcjonalnie tak, Ŝe wynik końcowy
pozostaje niezmienny.
Czujnik1
róŜnica
Czujnik2
t [s]
Idea pomiaru róŜnicowego ruchomego obiektu na przykładzie grubości nawijanej stalowej taśmy.
Urządzenie pomiarowe
W ofercie firmy WObit istnieje uniwersalny wskaźnik
przystosowany do pomiaru róŜnicowego. WyposaŜony jest on w dwa
wejścia napięciowe oraz dwa wyjścia przekaźnikowe załączane przy
przekroczeniu określonych progów oraz wyjście cyfrowe w
standardzie RS232.
Wskaźnik MD102A przeznaczony jest do róŜnicowego
pomiaru wielkości geometrycznych za pomocą dwóch dowolnych
czujników o wyjściu napięciowym 0..10V lub 0..5V. Dzięki zastosowaniu 24-bitowego przetwornika
moŜliwy jest bardzo dokładny pomiar z rozdzielczością do ±20 µV co w odniesieniu do zakresu
pomiarowego konkretnego czujnika moŜe dać dokładność nawet rzędu ±1 µm (zaleŜy od czujnika).
Wynik pomiaru prezentowany jest na sześciopozycyjnym wyświetlaczu. Istnieje moŜliwość obróbki
matematycznej zmierzonego wyniku poprzez nadanie mnoŜnika i offsetu. Wskaźnik posiada takŜe
dwa wyjścia przekaźnikowe reagujące na przekroczenie określonego progu (górny i dolny). Wyjścia te
mogą sterować innymi urządzeniami dając moŜliwość integracji wskaźnika w większy system.
Ponadto do współpracy z wskaźnikiem MD102A dostępne jest oprogramowanie MD102A-PC na
komputer PC, które znacznie ułatwia programowanie.
MD102A realizuje następujące funkcje:
RóŜnicowy pomiar wielkości geometrycznych za pomocą dwóch sprzęŜonych czujników o wyjściu
napięciowym 0..10V lub 0..5V (zalecane są czujniki ILD1700),
Filtracja i uśrednianie pomiarów w celu eliminacji szumów,
zmiany stanów wyjść przekaźnikowych w oparciu o ustalone progi,
zapamiętywanie maksymalnej i minimalnej zarejestrowanej wartości,
przesyłanie danych pomiarowych przy pomocy łącza RS232.
o Wizualizacja pomiarów w formie wykresów
o Zapis pomiarów do MS Excel
Zasada pomiaru
Aby dokonać pomiaru metodą róŜnicową wymagane są dwa czujniki sprzęŜone ze sobą oraz
urządzenie pomiarowe zbierające dane z obu czujników i dokonujące kilku prostych operacji
matematycznych. Same wartości mierzone z czujników niestety nie wystarczą. Potrzebne są takŜe
zakresy pomiarowe oraz rozstaw między polami pomiarowymi. O ile zakresy moŜna pobrać z kart
katalogowych sensorów o tyle rozstaw pól pomiarowych naleŜy zmierzyć. Jest to o tyle trudne iŜ pola
pomiarowe choć posiadają wymiar nie są elementami fizycznymi które moŜna po prostu zmierzyć. W
tym celu naleŜy dokonać kalibracji poprzez wstawienie w obszar roboczy obiektu wzorcowego o
znanej wielkości mierzonej i po odczytaniu wyników z obu kanałów obliczyć wstecz rozstaw pól
pomiarowych.
D2 [mm]
D1 [mm]
Zakres
pomiarowy
Zakres
pomiarowy
Wynik [mm]
X1 [mm]
X2 [mm]
dist [mm]
Kanał_A
Kanał _B
RS232
PC
Wyjścia
przekaźnikowe
MD102A
Gdzie:
D1 [mm] – zakres pomiarowy pierwszego sensora
D2 [mm] – zakres pomiarowy drugiego sensora
Dist [mm] – odległość między dwoma najbliŜszymi krańcami pól pomiarowych
sensorów
X1 [mm] – wynik pomiaru pierwszego sensora
X2 [mm] – wynik pomiaru drugiego sensora
Wynik [mm] – badana wartość metodą róŜnicową
Kanał_A [V] – informacja przesyłana z czujnika 1
Kanał_B [V] – informacja przesyłana z czujnika 2
COEF [mm / V] – mnoŜnik wynikający z zakresu napięciowego czujnika. Dla zakresu 0..10V COEF = 0.1
Wynik pomiaru obliczamy: x1 = Kanał_A * COEF
x2 = Kanał_B * COEF
Wynik = Dist + D1 + D2 - X1 - X2
Natomiast podczas kalibracji gdy znamy załoŜony Wynik obiektu wzorcowego, a nie znamy Dist
obliczamy je ze wzoru: Dist = Wynik - D1 - D2 + X1 + X2
Pola pomiarowe mogę się teoretycznie nakładać na siebie.
Wówczas naleŜy przyjąć parametr Dist jako ujemny (Dist < 0).
Dist [mm] < 0
W zaleŜności od organizacji zakresu pomiarowego naleŜy do wzoru wprowadzić d1 i d2 ze znakiem
plus lub minus:
d1 > 0
0V (min)
d1 < 0
10V (max)
10V (max)
0V (min)
Pomiar z wykorzystanie czujników optycznych
Typowymi
czujnikami odległości
są
czujniki
z oferty firmy
micro-epsilon http://www.micro-epsilon.pl/ z serii optoNCDT (laserowe
symbol
ILD1300
ILD1401
ILD1607
ILD1700
zakres [mm]
20 … 200
5 … 250
0,5… 200
2 … 750
Rozdzielczość
0,02 % FSO
0,01 % FSO
0,03 % FSO
0,005 % FSO
Liniowość
<± 0,2 % FSO
<± 0,2 % FSO
<± 0,2 % FSO
<±0,08 % FSO
Częstotliwość
500 Hz
1 kHz
37 kHz
2,5 kHz
dalmierze triangulacyjne). UmoŜliwiają one wykonanie bezkontaktowego
pomiaru odległości względem prawie kaŜdej powierzchni.
Samo zaimplementowanie gotowego sterownika jak np. MD102A z oferty firmy Wobit nie
wystarczy. NaleŜy równieŜ zwrócić szczególną uwagę na sposób montaŜu czujników na stanowisku.
Choć sama zasada pomiaru róŜnicowego z pozoru wydaje się prosta jednak istnieje szereg zasad,
których naleŜy przestrzegać aby pomiar był wiarygodny:
ZbieŜność osi pomiarowych
Podczas ruchu obiektu mierzonego rozsunięcie się
osi pomiarowych jest najczęstszą przyczyną błędnego
odczytu. Dotyczy to zarówno czujników optycznych jak i
czujników stykowych. Podczas instalowania czujników
warto przewidzieć moŜliwość dokładnej regulacji ich
pozycji.
Inklinacja osi pomiarowych
Przykładowo dla czujnika mierzącego z odległości
8 mm błąd kątowy na poziomie 3° (jest to warto ść
trudno zauwaŜalna ludzkim okiem) błąd pomiaru
przekracza 15 µm. Dla 10° bł ąd wynosi juŜ ponad 0,125
mm.
NaleŜy zwrócić uwagę na prawidłowy kąt między
osią pomiaru, a powierzchnią mierzoną. Podczas
instalowania czujników warto przewidzieć moŜliwość
dokładnej regulacji ich kąta w obu osiach.
90°
X [mm]
Odczyt czujnika 1
X1
X2
rzeczywista
wartość
Odczyt czujnika 2
Odczyt czujnika 1
Odczyt
X [mm]
Synchronizacja odczytów
Często pomijanym czynnikiem pomiaru róŜnicowego jest synchronizacja odczytów.
Zawansowane czujniki (jak np. ILD1700 z oferty micro-epsilon) obsługują pomiar synchroniczny.
Jeden czujnik pracuje jako master, drugi jako slave. Jeśli jednak nie uŜywa się trybu synchronicznego
naleŜy zwrócić uwagę na uŜywane multipleksery i inne czynniki mające wpływ na czas odczytów.
Warto wpierw dokonać zatrzaśnięcia (ang. latch) obu wyników i dopiero potem dokonać odczytów.
Dlatego teŜ dobrym rozwiązaniem jest stosowanie urządzeń dedykowanych do pomiaru
róŜnicowego jak np. MD102A
X1
Odczyt czujnika 2
t [ms]
∆t
X2
t [ms]
Czas naświetlania
W przypadku czujników optycznych prawidłowy czas naświetlania jest równieŜ istotny. Zbyt duŜy
czas spowoduje rozmycie się mierzonej plamki na matrycy CCD bądź PSD i zakłócenie pomiaru. Zbyt
krótki czas naświetlania moŜe powodować brak odczytu bądź zgubienie niektórych klatek
pomiarowych. Dobór prawidłowego czasu naświetlania zaleŜy od wielu czynników takich jak prędkość
ruchu obiektu, koloru obiektu, jego refleksyjności, chropowatości itd… Niektóre czujniki (jak np.
ILD1700) dają uŜytkownikowi moŜliwość doboru czasu naświetlania.
Z powyŜszych zasad wynika iŜ najlepszym rozwiązaniem jest instalowanie świadomie dobranych
czujników tak aby zapewnić im co najmniej dwa stopnie swobody i moŜliwość dokładnej regulacji wraz
z końcową blokadą pozycji.