Bezstykowy pomiar różnicowy wielkości geometrycznych
Transkrypt
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.