SENSORYKA

Transkrypt

SENSORYKA

Prof. Krzysztof Jemielniak
[email protected]
http://www.cim.pw.edu.pl/kjemiel
ST 107, tel. 234 8656
1 Wstęp, wprowadzenie do czujników i
systemów pomiarowych
• Regulamin
Regulamin przedmiotu,
plan
wykładu,
strona
przedmiotu,
plan
wykładu
www www
strona
• Wprowadzenie do czujników
• Rola pomiarów w systemach wytwarzania
• System pomiarowy
SENSORYKA
1.
Wprowadzenie do czujników i systemów pomiarowych
http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka
Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Produkcji, Instytut Technik Wytwarzania
Zakład Automatyzacji, Obrabiarek i Obróbki Skrawaniem
Regulamin przedmiotu „Sensoryka”
„Sensoryka” w kontekście
•
1. Przedmiot składa się z dwóch jednostek dydaktycznych:
•
Wykład – zaliczany egzaminem
•
Laboratorium – zaliczane w trakcie zajęć
2. Każda z nich oceniana jest punktowo w skali 0-50,
Poziom inżynierski
•
Sensoryka – semestr 4 – nauka o czujnikach, torach
pomiarowych, przetwarzaniu sygnałów na postać
cyfrową
•
Automatyczne monitorowanie i nadzór wytwarzania –
Zastosowanie
semestr 6 zastosowanie wyżej i niżej wymienionych
– co?
w praktyce przemysłowej
3. Do zaliczenia przedmiotu potrzebne jest zdobycie min. 25 punktów w
ramach każdej z tych jednostek
4. Ocena z przedmiotu jest jedna, według kryteriów:
•
0-50 2
• 51-60 3
• 61-70 3,5
Czyli wg wzoru:
• 71-80 4
ocena = 4*suma/max
• 81-90 4,5
• 91-100 5
•
+1
Poziom magisterski
•
Przetwarzanie sygnałów – semestr 1 – metody
modyfikacja sygnałów w celu uzyskania/ ulepszenia/
zmiany postaci informacji
Teoria
– jak?
•
Wirtualne przyrządy pomiarowe – semestr 2 – nauka
programowania (kodowania) w języku LabVIEW
umożliwiająca praktyczną realizację powyższych
Software
– jak?
http://www.cim.pw.edu.pl/sensoryka
Hardware
– czym?
Plan wykładu
1. Wstęp,
Wstęp, wprowadzenie
do czujników
wprowadzenie
do czujników
2.
Czujniki położenia odległości i kąta
3.
Czujniki drgań
4.
Czujniki AE i dźwięku
5.
Czujniki sił, momentów i ciśnienia
6.
Czujniki temperatury
7.
Budowa toru pomiarowego, wstępna obróbka sygnału i
przetwarzanie A/C
8.
Case study: Badanie błędów ruchu obrotowego i
efektów termicznych w obrabiarkach
1
• Plan wykładu, regulamin przedmiotu, strona
www
• Wprowadzenie
Wprowadzenie dodo
czujników
czujników
Wszystko zaczyna się od zmysłów
„Nie ma nic w umyśle, czego nie byłoby przedtem w zmysłach”
Św. Tomasz z Akwinu (1221-1274)
“Wszelka nasza wiedza ma początek w naszych zmysłach”
Leonardo da Vinci (1452-1519)
Postrzeganie zmysłowe jest procesem uświadamiania sobie
lub rozumienia informacji docierających z narządów
środowisko /
otoczenie
 wzrok jest naszym najważniejszym zmysłem,
dostarczającym nam najwięcej informacji, ale...
zmysły /
czujniki
odczucia /
sygnały
mózg /
komputer
reakcje
wiedza,
efekty
działań
Homocentryczne widzenie świata
zjawiska,
wielkości
fizyczne
Typy czujników
Istnieje ogromna liczba typów czujników

 owady mają dwoje oczu po powiedzmy 10,000
elementów światłoczułych w każdym
wiele wykrywa zjawiska, których człowiek nie może wykryć

np. magnetyzm, podczerwień, ultrafiolet, ultradźwięki, faza
światła itd.
 umiemy posługiwać się dotykiem, ale...
 karaluchy mają 30,000 włosków czułych na ruch
powietrza na każdej nodze

mogą wyczuć zbliżające się obiekty bez dotykania ich
Omówimy tu tylko część z nich, zwłaszcza
te, które mogą znaleźć zastosowanie
 podobnie jest z innymi zmysłami
systemach wytwarzania
Świat oferuje znacznie więcej informacji niż
my jesteśmy w stanie postrzegać zmysłami
Czujnik – przetwornik
Typy czujników
Przetwornik przekształca jedną wielkość fizyczną jak temperatura,
siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektryczną jak
napięcie lub opór
Wielkość fizyczna
przetwornik
opór, napięcie
Czujnik to urządzenie, zawierające obudowany przetwornik,
przewody odprowadzające sygnał itp.
Czujnik drgań (akcelerometr)
masa
sejsmiczna
przetwornik
piezoelektryczny
Wyróżniamy sześć podstawowych typów czujników
(przetworników) z punktu widzenia mierzonych
sygnałów i form energii przetwarzanej przez nie:
•
mechaniczne
•
termiczne (energia kinetyczna atomów lub cząsteczek)
•
elektryczne
•
magnetyczne
•
radiacyjne (włączając fale elektromagnetyczne,
mikrofale itd.)
•
chemiczne
obudowa
badany
element
sygnał
2
Mierzone wielkości fizyczne (przykłady)
Specyfikacja czujnika

Wielkość fizyczna
czujnik/przetwornik
pozycja, odległość
przemieszczenie
potencjometr, czujnik indukcyjny, czujnik
pojemnościowy, enkoder optyczny
siła
tensometr, przetwornik piezoelektryczny
drgania, emisja
akustyczna
dźwięk
przetwornik piezoelektryczny
(akcelerometr, czujnik AE)



mikrofon
temperatura
termopara, detektor oporowy ( (RTD),
termistor, itp
Dokładność: różnica między wynikiem pomiaru a
wartością rzeczywistą mierzonej wielkości
Rozdzielczość: najmniejsza zmiana wielkości
mierzonej, która może być wykryta w sygnale
wyjściowym.


wyrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych
Czułość: stosunek zmiany sygnału wyjściowego do
zmiany wielkości mierzonej
nachylenie zależności sygnału wyjściowego od wejściowego
Powtarzalność (precyzja): zdolność czujnika do
wskazywania tej samej wartości sygnału wyjściowego
przy kolejnych powtórzeniach wartości mierzonej.

mierzona parametrami rozkładu sygnału wyjściowego
Dokładność a rozdzielczość
Dokładność a precyzja
prawdziwa wartość
DOKŁADNOŚĆ
ROZDZIELCZOŚĆ
Precyzja bez
dokładności
Dokładność bez
precyzji
wynik pomiaru
Charakterystyka czujnika
Zależność sygnału wyjściowego (np. napięcia) od wielkości mierzonej
Przykład: indukcyjny czujnik przemieszczeń liniowych (LVDT):
Precyzja i
dokładność
Zakres pomiarowy
Zakres pomiarowy to minimalna i maksymalna wartość mierzona: xmin ÷ xmax
tu zakres pomiarowy z = -500 ÷ +500 mm
3
Czułość czujnika
Błąd czułości
Czułością czujnika nazywamy nachylenie jego charakterystyki:
Błędem czułości jest odchylenie nachylenia charakterystyki od wartości teoretycznej
s = Dy/ Dx
tu czułość zmierzona wynosi 10.3 mV/mm
tu s = 10mV/mm
Dy
Dx
Błąd liniowości
Offset
Błąd liniowości to odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej,
wyrażany najczęściej w % w stosunku do rozpiętości zakresu pomiarowego:
max|xlin-xpom|
Dlin = ____________
xmax- xmin
Offset to wartość sygnału gdy wartość mierzona jest równa 0, lub
przesunięcie całej charakterystyki w górę lub w dół w stosunku do
wartości teoretycznej:
offset
max
Przykład – czujnik przemieszczeń liniowych
Błędy pomiaru, dla charakterystyki linowej, nominalnej
x [mm]= y[mV]/s;
s=10 mV/mm
Błąd pomiaru dx = xrzecz - y/s
Błędy pomiaru po eliminacji błędu czułości, dla charakterystyki linowej
x [mm]= y[mV]/s;
s=10.3 mV/mm
Błąd pomiaru dx = xrzecz - y/s
offset=-0,6mm
dokładność = 2.5 mm
offset=-0,6mm
4
Błędy pomiaru po eliminacji błędu czułości, offsetu i nieliniowości
x = 0.6 + 0.963*y + 3.63E-11*y3
Histereza to zależność sygnału wyjściowego od kierunku
zmian wielkości mierzonej
x [mm]– przemieszczenie obliczone na podstawie sygnału wyjściowego
y [mV] – sygnał wyjściowy
Błąd pomiaru dx = xrzecz - x
Histereza
Czas odpowiedzi
Pasmo przenoszenia
Czas, po którym sygnał osiągnie wartość zgodną z charakterystyką
(z założoną tolerancją), po skokowej zmianie wartości mierzonej.
x
x
czujnik
y
y
Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału
wyjściowego do mierzonego nie spada poniżej założonego poziomu
(zwykle 3dB)
f1
t
t
y
x
f1
x
f2
czas odpowiedzi
f2
f3
pasmo tolerancji
stała czasowa
czujnik
y
f3
e
pasmo przenoszenia
czas
1
W teorii automatycznej regulacji odpowiada mu czas regulacji
10
fd
100
1000
częstotliwość (Hz)
104
105
fg
Pasmo użyteczne
Pasmo użyteczne – przykład
Zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału
wyjściowego do mierzonego zawiera się w zadanych granicach
czujnik drgań
pasmo użyteczne
w0
częstotliwość
czułość (% w stosunku do 100Hz)
y
częstotliwość (Hz)
częstotliwość rezonansowa
5
Dokładność
Waga właściwego doboru czujnika i całego
systemu pomiarowego
Dokładność czujnika to maksymalna bezwzględna różnica między
rzeczywistą wartością mierzoną, a wyznaczoną na podstawie sygnału
wyjściowego i charakterystyki.
Podstawowa zasada wszelkich pomiarów:
GIGO (Garbage in = Garbage out)! 
Wyrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych.
lub
dokładność = xrzecz – x(y)
dokładność = [xrzecz – x(y)]/(xmax-xmin)*100%
•
Dokładność zależy od wielu czynników związanych z określoną
aplikacją (instalacją), jak zakłócenia elektryczne, termiczne,
dynamiczne, nie związane bezpośrednio z samym czujnikiem.
•
Producenci niechętnie podają dokładność, raczej różne składniki
dokładności jak nieliniowość, powtarzalność, rozdzielczość, histerezę,
pasmo przenoszenia.
www
• Rola
Rola pomiarów
ww
systemach
wytwarzania
pomiarów
systemie
wytwarzania
Znaczenie pomiarów w systemach wytwarzania
Mierzone wielkości fizyczne dostarczają istotnych
informacji o:
•
procesie wytwarzania (np. stabilność elektryczna w EDM,
mechaniczna skrawaniu)
•
wynikach procesu wytwarzania (np. chropowatość,
wymiary)
•
stanie istotnych materiałów (np. zużycie narzędzia,
zanieczyszczenie chłodziwa, poziom oleju)
Znaczenie pomiarów w systemach wytwarzania
Przedmiot pomiarów
i monitorowania
Cel pomiarów i
monitorowania
Wielkości mierzone
Przedmiot obrabiany:
•
•
•
•
Stan zamocowania
Dokładność obróbki
Chropowatość powierzchni
Jakość warstwy wierzchniej
•
•
Zapewnienie wysokiej jakości
Unikanie uszkodzeń przedmiotu
i braków
Proces obróbki:
•
•
•
•
•
•
Siły skrawania
Tworzenie ciepła
Temperatura
Drgania
Hałas
Postać wiórów
•
Utrzymanie prawidłowego
procesu obróbki
Przewidywanie i unikanie
stanów awaryjnych
•
•
•
Położenie krawędzi skrawającej
Zużycie ostrza
Katastroficzne stępienie ostrza
(wyłamania, wykruszenia itp.)
Obrabiarka i
wyposażenie:
•
•
•
Awarie
Drgania
Deformacje
•
Zapewnienie poprawnej pracy
obrabiarki i wysokiej
dokładności obróbki
Środowisko:
•
•
•
Zmiany temp. otoczenia
Drgania zewnętrzne
Stan chłodziwa
•
Minimalizacja wpływu otoczenia
na obróbkę
Narzędzie:
•
•
•
•
Określenie wielkości ruchów
ustawczych
Wymiana narzędzi na czas
Unikanie uszkodzeń przedmiotu i
narzędzi
Czynniki brane pod uwagę przy doborze
czujników
Pomiary:
•
w czasie procesu, między zabiegami/operacjami czy po procesie
•
na obrabiarce czy poza nią
•
ciągłe czy przerywane (okresowe)
•
bezpośrednie czy pośrednie
•
czynne czy bierne
•
dotykowe czy bezdotykowe
•
z bliska czy odległe
•
pojedynczymi czujnikami czy ich zestawem
•
czujnikami wielofunkcyjnymi czy specjalistycznymi
6
Trudności w pomiarach
Trudność
Przykłady
Możliwe położenia czujników monitorujących
pracę obrabiarki
Dokładność obróbki
Chropowatość i jakość powierzchni
Zużycie ostrza i KSO
Odkształcenia termiczne obrabiarki
Pomiary w trakcie procesu/on-line
Pomiary bezpośrednie
Zużycie ostrza i KSO przy ciągłym skrawaniu
Odkształcenia termiczne obrabiarki
Duża odległość między obiektem
mierzonym a czujnikiem
Położenie czujnika względem ostrza lub ściernicy
Wpływ instalacji czujnika na proces
obróbki i sztywność obrabiarki
Zmniejszenie sztywności narzędzia lub obrabiarki przez
instalację czujników tensometrycznych
Zanieczyszczone środowisko
Występowanie chłodziwa, zakłócenia elektryczne
Transmisja sygnału z obracających się
lub ruchomych elementów
Przekazywanie sygnału z wrzeciona, szybko przemieszczającego
się stołu lub obrotowej głowicy narzędziowej
Złożone zależności między różnymi
czynnikami
Właściwości mierzonego obiektu mogą zależeć od warunków
obróbki, materiału ostrza, materiału obrabianego itd.
Rozmaitość sposobów i rodzajów obróbki
Potrzebne są czujniki odpowiednie do różnych sposobów
obróbki jak wiercenie, frezowanie, gwintowanie itp. na tej
samej obrabiarce
centrum frezarskie
tokarka
przedmiot obrabiany
www
• System
System pomiarowy
pomiarowy
przedmiot
obrabiany
1. siłomierz płytowy, 2. siłomierz tensometryczny, 3. łożysko dynamometryczne,
4. czujnik mocy, 5. czujnik momentu, 6. powierzchniowy czujnik AE,
7. strumieniowy czujnik AE, 8. czujnik przyspieszeń, 9. czujnik wbudowany w narzędzie
stół
System pomiarowy
Podstawowym zadaniem systemu pomiarowego jest mierzenie
wielkości fizycznych występujących w rzeczywistym świecie.
Tu będą nas interesowały takie wielkości związane z wytwarzaniem, jak:
•
położenie, odległość, przemieszczenie,
•
prędkość liniowa i kątowa, przyspieszenie,
•
siła, moment, moc
•
temperatura
•
dźwięk
Wspólną cechą wymienionych wielkości
jest to, że są one „nieelektryczne”,
Pomiary wielkości nieelektrycznych
Wstępna obróbka sygnału
Tradycyjnie wielkości takie mierzy się odpowiednimi przyrządami jak np.
Zwykle nie jest możliwe bezpośrednie wykorzystanie sygnału z czujnika –
•
odległość, wymiar: przymiar, suwmiarka, linijka itp.
potrzebny jest specjalny (dobrany do czujnika) układ przygotowania
•
siła: sprężyna, waga itp.
•
prędkość: pośrednio przez pomiar czasu i odległości
•
temperatura: termometr rtęciowy
(wstępnej obróbki) sygnału, mogący także zasilać czujnik
uniwersalne lub specjalistyczne
układ wstępnej
obróbki sygnału
urządzenie pomiarowe, np.: oscyloskop,
analizator, woltomierz itp.
Drugi etap rozwoju technik pomiarowych to zastosowanie
przyrządów, w których wartości wielkości mierzone są
przetwarzane na sygnał elektryczne i np. wyświetlane
cyfrowo czy pokazywane na wskaźniku.
czujnik
kable
7
Przykładowe sposoby wstępnej obróbki
sygnału
Budowa komputerowego systemu akwizycji
danych
Drugi etap rozwoju technik pomiarowych
Zasilanie mostka,
Mostek tensometryczny
linearyzacja
Przetworniki
piezoelektryczne
Przygotowanie
sygnałów
Wzmacniacz ładunku
Karta DAQ
Wzmocnienie, linearyzacja,
kompensacja zimnych złączy
Termopara
Zasilanie,
Czujniki
termorezystancyjne
czujniki,
przetworniki
oprogramowanie
linearyzacja
Trzeci etap rozwoju technik pomiarowych
Akwizycja danych, karta DAQ
Współczesny system pomiarowy
Akwizycja danych (DAQ - Data Acquisition) to zbieranie sygnałów
elektrycznych z czujników (zwykle za pośrednictwem układów wstępnego
przygotowania sygnału) i wprowadzenie uzyskanych danych do komputera
w celu ich dalszego przetworzenia.
Urządzenia (karty) DAQ zwykle są bezpośrednio połączone z wewnętrzną
System akwizycji danych pomiarowych (system pomiarowy)
jest zespołem urządzeń objętych wspólnym sterowaniem i
przeznaczonym do realizacji w sposób automatyczny procesu
pomiarowego.
zjawiska fizyczne
szyną danych komputera przez gniazdo (plug-in slot). Karta DAQ nie
wykonuje obliczeń, nie wyznacza miar sygnału, pozostawiając to zadanie
oprogramowaniu rezydującemu w komputerze.
PXI
PCI
PCMCIA
FireWire/USB
System akwizycji, prezentacji i przetwarzania danych
Software do akwizycji danych
Prezentacja danych to środki do łatwego, intuicyjnego
komunikowania się z systemem, w celu uzyskiwania informacji w
dogodnej, zrozumiałej formie.
Przetwarzanie danych przekształca surowe dane w pełne znaczenia
informacje. Obejmuje takie techniki jak filtrowanie cyfrowe, analizy
częstotliwościowe, statystyczne i wiele innych operacji matematycznych
DAQ system – przykład
siłomierz
czujniki, przetworniki
sygnały
analogowe
Przygotowanie
sygnałów
Przetwarzanie i
prezentacja
danych
wzmacniacze
Ładunku
skrzynka połączeń
Karta DAQ PCI
PCMCIA
DAQcard
Software do akwizycji danych
8
DAQ system - przykład
Wymagania stawiane systemowi DAQ
•
Typ sygnału (sygnałów) – wejścia analogowe (AI),
wyjścia analogowe (AO), wejścia i wyjścia cyfrowe
probes
(DIO), liczniki (CTR)
Probe drivers
PXI
•
Liczba kanałów I/O – może określić typ systemu i jego
koszt
•
Szybkość, dokładność
•
Portabilność
•
Zgodność z poprzednimi wersjami oprogramowania i/lub
SCXI
connector block
sprzętu. Często to czynnik najbardziej krytyczny!
System pomiarowy w systemie wytwarzania
Struktura logiczna układu nadzoru narzędzia i PS
Obiekt
NADZÓR
AKCJA !
Czujnik
Podejmowanie
decyzji
Układ
sterowania
Operator
filtry, statystyka,
FFT, RMS,...
miary
obróbka sygnałów
sygnałów
czujniki
sygnały
DIAGNOSTYKA
Przetwarzanie
sygnałów
rozkaz
integracja miar,
diagnoza
MONITOROWANIE
Jakieś pytania?
9

SENSORYKA

Transkrypt

Podobne dokumenty

Instrukcja

profesjonalne narzędzia kompleksowe usługi

budynki niemal zero-energetyczne próba definicji

Biuletyn SAE 10

STATYSTYKA MATEMATYCZNA Będlewo 2014

Innowacje – inwestycja w przyszłość