PM Pojęcia podstawowe mechatroniki. Sensory

PM Pojęcia podstawowe mechatroniki. Sensory

• Wprowadzenie i pojęcia podstawowe.
• Mechatronika. Regulacja. Sterowanie. UAR.
System mechatroniczny.
• Sygnały i układy pomiarowe. Stopień integracji.
Czujniki inteligentne.
• Normalizacja sygnałów wyjściowych.
• Parametry czujników. Rozdzielczość. Statyczne
błędy systemów pomiarowych.
• Stopień ochrony wnętrza IP.
• Wielkości pomiarowe kinematyczne i
dynamiczne.
• Czujniki R,L,C.
• Czujniki indukcyjne i hallotronowe i
magnetorezystancyjne
PM
Pojęcia podstawowe
mechatroniki. Sensory
• Czujniki prędkości i połoŜenia kątowego.
Optyczne inkrementalne i absolutne.
• Tensometry.
• Piezoelektryczne czujniki przyspieszeń, siły,
momentu, drogi.
• Czujniki ultradźwiękowe.
• Czujniki wartości przepływów i ciśnienia.
• Pomiary temperatury. Termistory NTC, PTC.
Czujniki półprzewodnikowe temperatury.
Termopary.Pirometria
Pojęcie „Mechatronika”
Części składowe mechatroniki
9
11
Schemat blokowy układu
mechatronicznego
Definicje
Przykład
Płaszczyzny systemów
mechatroniki
12
Czujniki – układy pomiarowe
modelu zawieszenia aktywnego pojazdu
13
Normalizacja sygnałów
Parametry czujników
* Analogowych: 0..+5(+10)V
-5(-10)…+5(+10)V
0…20mA (dead zero)
4…20mA (life zero)
* Cyfrowych : równolegle (Centronics)
szeregowo (RS232, RS485,
USB)
17
Błędy pomiarowe
Linearyzacja ch-k
a) w punkcie
y(x)=y0 +y’(x)(x-x0)
b) w zakresie
18
Wielkości pomiarowe
kinematyczne i dynamiczne
Klasyfikacja stopni ochrony IP
•
10
21
Metody potencjometryczne
Stopnie ochrony IP Klasyfikacja stopni ochrony urządzeń
elektrycznych zapewnianych przez obudowy według normy PN92/E-08106.
Normy identyczne: EN 60529:1991, IEC 529:1989. Odpowiedniki:
VDE 0470, DIN 40050, BS 5490:1977.
Dane
Definicje:
Stopień ochrony - miara ochrony zapewnianej przez obudowy:
- przed dostępem osób do części niebezpiecznych,
- przed wnikaniem obcych ciał stałych,
- przed wnikaniem wody.
Kod IP (Internal Protection) - system kodowego oznaczania stopni
ochrony.
Schematy połączeń
Przykład kodu IP: IP 54 pierwsza cyfra charakterystyczna: 5 =
ochrona przed dostępem osób do niebezpiecznych części za
pomocą drutu i ochrona przed pyłem,druga cyfra charakterystyczna:
4 = ochrona przed rozbryzgami wody.
22
Czujniki pojemnościowe
C=
εr – względna
przenikalność
elektryczna,
ε0 – stała
elektryczna,
A – powierzchnia
płyt,
s – odległość płyt
25
Czujniki indukcyjne i hallotronowe
a)
b)
Metody indukcyjne
a) dławik prosty
ε rε 0 A
s
24
b) czujniki hallotronowe.
b) dławik róŜnicowy
• Typowe właściwości
sensorów :
• zakres pomiarowy
0,1...10mm
• rozdzielczość
0,1...10nm
• liniowość 0,01%
L0 - indukcyjność bez szczeliny ( x=0 )
xm - wielkość szczeliny przy której L=1/2(L0+Lmax),tj. L przyjmuje
wartość środkową
26
28
30
Czujniki magnetorezystancyjne
Zjawisko Halla
Czujniki magnetorezystancyjne
zasada działania
Schematy
Zjawiska :
Rys a :Skręcenie linii sił ekwipotencjalnych
(element Halla)
R
U H = I 0 BZ
Q- ładunek elektryczny,
w-wektor prędkości
ładunku,
• B = µ0 µ r H - indukcja
magnetyczna,
• H- natęŜenie pola
magnetycznego
siła Lorentza
F = Qw x B
Sensorowy mostek pomiarowy
H
d
gdzie :
-RH współczynnik Halla zaleŜny od
materiału
-d grubość płytki
Rys b: WydłuŜenie toru prądu w
półprzewodniku przez odchylenie nośnika
ładunku (płytka polowa)
•
•
•
• Czujnik zintegrowany
• Charakterystyka
R B = R0 (1 + kB Z2 )
gdzie:
- R0 wartość RB dla BZ =0,
- k stała zaleŜna od materiału i geometrii
33
Magnetorezystancyjne czujniki
połoŜenia kątowego
34
36
Optyczne układy pomiarowe
Optyczne układy pomiarowe
Enkodery inkrementalne prędkości obrotowej i
połoŜenia kątowego
Enkodery (resolwery) absolutne
prędkości obrotowej i połoŜenia kątowego
• Podstawowy
parametr : liczba
impulsów na obrót
• Sygnały wyjściowe enkodera absolutnego : cyfrowe binarne
n
Sygnały wyjściowe enkodera optycznego impulsowe:
L – ( low) niski , H – (high) wysoki
38
Tensometryczne układy pomiarowe
Budowa tensometru
• Liczba ścieŜek = n -------- Rozdzielczość 2
• Często stosuje się Gray Code (patrz tabela). Dlaczego?
Tensometryczny układ pomiarowy
ω
Pasmo przenoszenia: od zera do
Działanie:
R=
ρl
A
∆R
= kε
R
B- Wzmacniacz ; C- Układ kompensacji temperaturowj
Napięcie wyjściowe mostka UA :
gdzie : k ≈ 2 dla foliowych , k ≈ 100 dla półprzewodnikowych
Grubowarstwowe czujniki ciśnienia
Czujnik ciśnienia w przewodzie dolotowym 20-400kPa
Czujnik ciśnienia otoczenia 60-115kPa
Mikromechaniczne czujniki ciśnienia
U
Przetworniki piezoelektryczne
Zjawisko proste : zmiana rozmiaru kryształów
pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego
Zjawisko odwrotne : pojawienie się ładunków elektrycznych na
przeciwległych ściankach odkształcanego kryształu
Charakterystyki róŜnych materiałów
Model efektu piezoelektrycznego
1-stop 84,5Ag+15,5Mn
2-manganin
3-Cu (miedź)
4-Au (złoto)
5-Ag (srebro)
6-warstwa węglowa
7-cement
8-plastyk przewodzący
(Conductive plastic)
a)kryształ nieobciąŜony b)podłuŜny efekt piezoelektryczny
Materiały
piezoelektryczne :
________________
__
- Monokryształy
(kwarc, dwufosforan
amonowy)
- Polikryształy
(ceramika
zawierająca
spolaryzowane
ferroelektryki)
Schemat wzmacniacza ładunku
dla odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego
Budowa i charakterystyka
czujnika przyspieszenia
Piezoelektryczne czujniki
przyspieszenia
w systemach bezpieczeństwa pojazdów
dQ
= i(t )
dt
Częstotliwość dolna ok. 1/10 Hz
Częstotliwość górna ograniczona pierwszą częstotliwością własną masy
drgającej m
Pojemność własna = 200pF
Rezystancja wejściowa = 1012Ω
Stała czasowa = 200ms
Nk ε
• 1-pierścień poddawany
działaniu siły
• 2-izolacja
• 3-warstwa klejowoszklana
• 4-warstwa czynna
przetwornika
• 5-izolacja
• 6-pierścień nośny
Typowy zakres pomiarowy
250kPa. Ciśnienie jest
odniesione do próŜni a nie do
otoczenia.
1
Q
i (t )dt =
C∫
C
V
Budowa
• 5 – cokół szklany
• 6 – pokrywa
• 7 – doprowadzenie ciśnienia
Czujniki nacisku na fotelach pojazdów
= U
Tensometryczne czujniki siły
o nacisku ortogonalnym
• 1 - 3 przyłącza elektryczne
• 2 -- komora próŜniowa
• 4 – elektroniczny chip pomiarowy
Tensometryczne czujniki siły
o nacisku ortogonalnym
A
gdzie : UV - napięcie zasilania
N - współczynnik mostka=liczba tensometrów
ε - wydłuŜenie
(krzemowy z wytrawioną przeponą z
naniesionymi dyfuzyjnie 4 tensometrami,
przegięcie przepony 0.01 – 1 mm)
U wyj =
c
m
ZaleŜność między wydłuŜeniem ε a zmianą oporności :
Mocowanie do podłoŜa :
kleje utwardzane na zimno lub na gorąco
•
•
•
•
•
•
•
•
=
Budowa tensometru : a) foliowego , b) półprzewodnikowego
gdzie : R – opór (rezystancja) tensometru
ρ - oporność właściwa,
l – długość przewodnika ,
A – przekrój przewodnika
•
•
0
gdzie : c - stała spręŜystości
m - masa całkowita zamocowana przed czujnikiem w
kierunku siły.
Układ pomiarowy:
Mostek Wheatstone’a + wzmacniacz pomiarowy
fo =
1
2Π
c
m
gdzie c stała spręŜystości
Piezoelektryczne czujniki
siły i momentu
Piezoelektryczne czujniki kąta obrotu
Budowa girometru
Ultradźwiękowe metody pomiarowe
Materiały : ceramiki piezoelektryczne, które odkształcają się pod
wpływem przyłoŜonego napięcia.
Np. tytanian baru , polimery (PVDF)
Częstotliwość pobudzenia : 20...200kHz.
Prawo Hook’a
F
= Eε
A
gdzie F -siła,
A -przekrój powierzchni,
E -moduł spręŜystości (moduł Younga) ,
ε - wydłuŜenie
Dla kwarcu E=8*1010 N/mm2 (B.DUśY)
ZaleŜność między siłą F i ładunkiem Q:
Q = kpF
gdzie kp stała piezoelektryczna zaleŜy od : materiału i kąta między płaszczyznami
kryształu i siłą
Dla czujnika kwarcowego z efektem podłuŜnym
As
k p = 2,3 • 10−12
N
Napięcie wyjściowe wzmacniacz ładunku:
U wyj =
•
•
•
•
Q kp
=
F
C C
Charakterystyka
pola ultradźwiękowego
Poziom ciśnienia akustycznego to
20 lg
p
p0
1-4 pary elementów piezoceramicznych
5-cylinder drgający
6-płyta podstawy
7-nóŜki przyłącza wtykowego
Wpływ parametrów otoczenia
Wybór częstotliwości
na rozprzestrzenianie się fal dźwiękowych
wzbudzenia dla przetwornika ultradźwiękowego
Prawo falowe :
v = λf
dB (decybeli) ,
gdzie p0 = 2*10-5 Pa
Obraz sygnału czujnika ultradźwiękowego.
a) przebieg czasowy b) rozkład intensywności pola dźwięku (-40dB...0dB)
tzw. „maczuga” promieniowania
gdzie : v – prędkość rozprzestrzeniania się, λ – długość fali, f – częstotliwość.
Ultradźwięki gdy p < p0 (< 0dB).
Dźwięki słyszalne gdy p0 < p < 20Pa (0dB <...< 120dB)
Prędkość dźwięku v zaleŜy od temperatury otoczenia, wilgotności i ciśnienia
powietrza i wynosi około 343m/s
* Bliskie pole tzw. strefa Fresnela z oscylującym rozkładem intensywności
ma długość r
r =
D 2
4λ
v = v0 1 +
gdzie: D- średnica ultradźwiękowego elementu drgającego, λ – długość fali
T
273
T – temperatura w
Kelwinach.
* Dalekie pole tzw. strefę Fraunhofera dla R>>r charakteryzuje :
• WyŜsza rozdzielczość jest moŜliwa przy
wyŜszych częstotliwościach
• Pochłanianie ultradźwięków rośnie ze
wzrostem częstotliwości ze względu na
większe tarcie wewnętrzne w ośrodku
• Konieczny jest kompromis pomiędzy
rozdzielczością i pochłanianiem dźwięku.
spadek intensywności jak 1/r2
Ultradźwiękowe czujniki
parkowania
Schemat blokowy
sondy ultradźwiękowej
Pomiary przepływów
objętościowe i masowe
Przykład obliczania odległości od przeszkody za pomocą czujnika
ultradźwiękowego o f=40kHz : a=0,5t·c,
gdzie : t-czas od wysłania sygnału do powrotu echa, c=342m/s
Zakres wykrywania : 0,25m ...1,5m
1 - Przepływ laminarny, gdy Re poniŜej wartości 2100.
2 - Przepływ turbulentny, gdy Re powyŜej tej wartości.
Profil prędkości v(r) w strumieniu charakteryzuje liczba podobieństwa Reynoldsa
D
Re = ν
η
gdzie : D – średnica strumienia, η –kinematyczna lepkość medium, ν – prędkość średnia
strumienia.
Przepływ objętościowy (m3/h)
Qv = νA
Przepływ masowy (kg/h)
Qm = ρν A
gdzie : A- pole powierzchni przekroju poprzecznego, ρ – gęstość jednorodna
Algorytm:
I. Mikrokontroler włącza przetwornik na nadawanie i wysyła sekwencję drgań
II. Rozpoczyna się pomiar czasu przez licznik impulsów wzorcowych.
III. Mikrokontroler przełącza układ na odbiór i odbiera sygnał echa poprzez
wzmacniacz i filtr pasmowy chroniący przed błędami obcego dźwięku
IV. Następuje zatrzymanie licznika pomiaru czasu i dalsza obróbka.
Przepływomierze ciśnieniowe
Termoanemometry drutowe
Przepływomierze spiętrzające
charakterystyka - układ regulacji
objętościowe
Wydatek jest średnią wydatku obj. i masowego
Qst = const ρν = const Qν Qm
•
•
•
•
1-skrzydło spiętrzające
2-czujnik temperatury
3-przyłącze elektryczne
4-potencjometr
przetwarzający połoŜenie
kątowe na napięcie
elektryczne
• 5-obszar tłumiący
• 6-skrzydło
kompensacyjne
Równanie ciągłości strugi ( zachowania masy)
ρ1ν 1 A1 = ρ 2ν 2 A2 = const
Równanie Bernouliego (zachowania energii)
1
p1 + ρ1ν 12 = ρ 2 + ρ 2ν 22 = const
2
Dla ρ1=ρ2=ρ moŜna wykazać, Ŝe :
 1
1 
∆p = Qv2 ρ  2 − 2 
 A2 A1 
Wel = I H2 R = c λ∆Θ
gdzie : λ- przewodność cieplna drutu, ∆θ – róŜnica temperatur
Prąd grzejny : IH=f(QM)
Zasady pomiaru temperatury za
pomocą termistorów
Termistory NTC
Charakterystyka NTC
R (T ) = R 0 e
Przetwarzanie napięciowe:
R (T )
U (T ) = U 0
R (T ) + Rv
Przetwarzanie prądowe:
U (T ) = I 0 R (T )
gdzie : R0=R(T0), B=2000…5000K = const
Stromość charakterystyki
B
TK = − 2
T
•
Zwykle
•
Rv ≈ R (To ) dla T0=20 st.C
•
Półprzewodnikowe czujniki
temperatury
Alternatywa dla termistorów NTC i PTC
Współczynnik temperaturowy dodatni
Względnie liniowa charakterystyka temperaturowa.
Zakres temperatur standardowo od -55OC do 150OC (moŜliwe300OC)
Termistory PTC
charakterystyka – współczynniki temperaturowe
1 1 
B  − 
 T T0 
•
Wykonane ze spieków ceramicznych w
kształcie perełkowym (a) lub płytkowym (b)
Stromość ch-ki (TK) zaleŜna silnie od
punktu pracy
Wartość rezystancji zmienia się o 4..5
rzędów
Pomiary w przedziale ok..200K
wybieranego z zakresu -40…800st.C
Charakterystyki
półprzewodnikowych czujników temperatury
RT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref )2]
lub
2
D
RT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref ) -C( T-TI ) ]
gdzie: RT – rezystancja w temperaturze T,
Rref – rezystancja w temp. odniesienia Tref = 25OC (100OC dla KTY84)
A,B,C,D – współczynniki zaleŜne od typu sensora
C=O dla T<TI ; TI = 100OC (250OC dla KTY84)
Charakterystyka PTC
[
R (T ) = R0 1 − α∆T + β (∆T ) + ...
2
]
gdzie : ∆T=T-T0 , α- liniowy współczynnik temperaturowy (TK), β – kwadratowy
współczynnik temperaturowy ( zwykle b.mały, ale nie zawsze do pominięcia)
Uśredniona wartość nachylenia :
R (100 0 C ) − R (00 C )
TK 100 =
R (0 0 C ) ⋅ 100 K
Układ pomiarowy termopary
A,B- termoramiona
( 2 zlutowane
półprzewodniki lub
przewodniki)
•
•
•
•
•
•
•
1- miejsce pomiaru ,spoina
2- głowica przyłącza
3- przewody kompensacyjne
4- wolne (zimne) końce
5- przewód przyłącza
TM- temp. mierzona
TR- temp. Odniesienia
Siła termoelektryczna
Uth = c (TM - TR )
Przekrój kryształu. Wymiar chipa : 500 x 500 x 240µm
Termoelementy (termopary)
Efekt Seebecka
U th = c (T2 − T1 )
c-stała termoelektryczna
T 2 -spoina, T 1 -zimne końce
Napięcie Uth [mV/100st.C] jest
odnoszone do platyny jako
materiału bazowego
Napięcia termoelektryczne
Bezstykowe pomiary temperatury
pirometria
• Do bezstykowych pomiarów temperatury ciał
stałych wykorzystywane jest emitowane przez
nie w temperaturze powyŜej 0K promieniowanie
elektromagnetyczne, mikrofalowe (najczęściej
podczerwone)
• Mierzony jest iloczyn mocy promieniowania i
współczynnika emisji ciała
• Długość fali 5…20mikrometrów
• Stosowane są zarówno metody fotometryczne
(bolometr) jak i termoelektryczne (termopara)
Czujniki obrazu
matryca termowizyjna
• 1- chip krzemowy
• 2- piksel
• 3-4 – przyłącza
- „gorące” punkty na
membranie termicznie
izolowanej
- „zimne” punkty na
brzegu chipa - upuście
ciepła