Měřený objekt, přístroje a snímače

Tématem je ukázkové měření charakteristických vlastností různých snímačů vzdálenosti, koncových spínačů, přesného odměřování polohy na strojích apod. (viz obr. 1 až 5) včetně  ukázek vysvětlujících jejich princip a systém.

Obr. 1 - Ultrazvukový snímač vzdálenosti

Obr. 2 - Indukční spojitý snímač vzdálenosti

Obr. 3 - Indukční snímač polohy

Obr. 4 - Optická závora jednocestná, stabilizovaný zdroj a digitální multimetr

Obr. 5 - - Optická závora proximitní

Obr. 6 - IRC snímač polohy

Obr. 7 - Snímače koncové polohy

Poloha a  vzdálenosti - obecné pojmy o měření (délky, úhly)

Dělení snímačů dle signálu:

-         analogové – změna odporu, indukčnosti, kapacity, napětí aj.

-         číslicové – poloha vyjádřena digitálním číslem (diskrétní, dvojhodnotové)

Podle způsobu měření:

-         absolutní – poloha zakódovaná

-         přírůstkové (inkrementální) – impulsy se sčítají (integrují) v čítači

Analogový princip:

Odporové: potenciometry – lineární měří přímo vzdálenost

                                        - rotační  měří přímo úhel

Odporový materiál: kovový – dráha navinuta odporovým drátkem

                              nekovový – dráha nalepena na podkladě (tištěný způsob).

                   R₀ = R₁ + R₂       

                                                               V současnosti je R_Z >> R₀, dělič se

                                                                         počítá  naprázdno

       R₁               

U₁            R₂      R_Z           U₂                        Přenos:

 Užití u méně náročných měření d>1‰  např. robotů a vysílačů měřených veličin (tlak, teplota). Přesnější měření je při napájení ss proudem. Při střídavém měření je přesnost ovlivněna indukčností nebo kapacitou odporové dráhy a přívodů.

Indukční snímače: měřená veličina (vzdálenost) mění indukčnost cívky,

                        magnetický obvod může být vzduchový, s jádrem, otevřený, uzavřený.

Jednoduchý mezerový     

závislost L na x

je nelineární                      L

                                          0                               x

        napájení je střídavé,

  protože je značně velká napájecí frekvence je impedance cívky   

      X_L=ωL větší než odpor R, proto se při zjednodušení může R zanedbat                                                                                                            

V připojené tabulce je porovnání různých typů indukčních snímačů

Transformátorový snímač – diferenciální obr. 5.7 lineární průběh ve větším rozsahu.

Často se používá v kontaktním uspořádání (jádro spojené s měřeným objektem).

Selsyny: slouží k měření polohy (úhlu natočení)

         - rotační transformátor

zapojení obr. 5.10 snímač polohy zvaný: el. osa nebo tzv. "elektrický hřídel"

obr 5.13      - polohový transformátor

                   S₁ – zadávání polohy

                   S₂ – napětí (jeho fáze) úměrné natočení

Rozkladač  Obr. 5.14 (resolver)

      Dvě statorová svinutí – prostorově umístěné o 90˚ v rotoru jedno jednofázové svinutí.     

      Stator se napájí  sin a cos.

Častěji  se používá zapojení obráceně: do rotoru se napájí a ze statoru se odebírají dvě napětí:

Užití pro měření polohy – jednotka selsynů

Induktosyn – v podstatě selsyn bez železa

                 meandr          - stator, pravítko 1 vinutí, stoupání 2 mm

                            - rotor, jezdec 2 vinutí posunuta o ą 90º

už se nepoužívají –         roboty, obr. stroje

                            velký síový šum

                            špatné rozlišení vyšší přesnosti

Snímače na principu vířivých proudů (indukční)

Přibližující se těleso (el. vodivé) zatlumí cívku a její L klesne – oscilace se utlumí a komparátor sepne výstup – relé - pro měření malých vzdáleností. Vyrábějí se zejména jako dvojhodnotové (bezkontaktní) narážky, též i analogové zpracování signálu.

Indukční snímač se skratovacím kroužkem

Cívka je navinuta na železném jádru a kroužek posuvem ovlivňuje indukčnost cívky.

Kroužek je z vodivého materiálu ( Cu, Al ) a vířivé proudy působí proti budícím a nepustí magnetické pole dál. Indukčnost cívky dosti  lineárně závislá na vzdálenosti kroužku od cívky. Vyrábí se v mnoha variantách – diferenciální, pro měření úhlů aj.

Galvanomagnetické (magnetostatické) snímače

Tyto snímače zpracovávají Hallův jev a v druhém případě Gausův jev.

Princip činnosti: viz obr.:

    Prostupuje-li mag. pole ( B ) kolmo tenkou polovodičovou destičkou (Si), která je protékaná elektrickým polem I , vytvoří se kolmo k proudu napětí U_H (tzv. Hallovo). Toto napětí je úměrné velikosti pole.

    Současně se zvyšuje odpor destičky podle parabolické závislosti R(B). Tento jev se nazývá Gausův (magnetorezistor).

    Při použití polovodičové destičky lze metodou tenkých vrstev vytvořit integrovaný obvod, jež bude zpracovávat tyto jevy (U_H, R(B)) podle požadavku měření. Často se tyto snímače vyrábí pro měření síly magnetického pole ve strojích (analogové), nebo jako komparační spínač, který indikuje jistou úroveň magnetického pole.

   Užití: v automobilech pro řízení zapalování, měření otáček kol pro ABS aj..

Kapacitní snímače – využívá se změny kapacity tabulka 5.2 str. 92

 - pro měření se používají všechny změny:

e –dielektrická konstanta – materiál

S – velikost plochy desek

d – změna vzdálenosti

Používají se diferenciální můstky (X_C) nebo rezonanční obvody (f)

změna C: desítky až stovky pF

Ultrazvukové měřiče vzdáleností:

Princip činnosti:  

Vyslaný impuls ( několik desítek sinusových kmitů o frekvenci asi 100 kHz ) se odrazí od přepážky a měří se doba jeho návratu t . Tato doba je lineárně závislá na vzdálenosti x.

Laserové interferometry: interference – skládání obr. 5.20

hrubá stupnice – počet  se čítá v čítači ( ~ 0,3 mm)

jemná interpolace – zjišuje se poloha mezi dvěma světelnými maximy

Číslicový princip:

Číslicové snímače polohy (značně rozvinutý princip pro snímání polohy os na obráběcích strojích).

Jsou nejčastěji na fotoelektrickém principu:

- inkrementálními   – přírůstkové – v čítači se integruje poloha

                            - absolutní – po dekódování poloha

konstrukční dělení - rotační

                            - lineární

Slova: dělení rysek 0,01 – 0,1 mm

          mřížka – pravítko, kotouček

          protimřížka (clonka) – důvod velké senzory (fototranzistory, fotodiody) vůči      

                                               jemnému  dělení

  Ze snímače vystupují dva signály I a I ą 90. Důvod: takto lze rozpoznat, kterým směrem se pohybuje (otáčí) měřený objekt.

Pro absolutní odměřování se užívá kódovací kotouček nebo pravítko (obr. 5.26). Poloha je v něm zakódovaná. Používá se GRAYův kód – je samoopravný, protože při přesunu na sousední polohu (inkrement), nastává změna v kódu, jen v jednom bitu. Počet bitů je dán požadovanou přesností  d  kde N = , N = počet rozlišitelných hladin a I = počet bitů ve snímači. Zde bity nemají váhu. Oproti binárnímu kódu nemůže změna nastat ve více bitech. Při náhodné ztrátě jednoho bitu počítač počká na další impuls, kde je poloha již správná.

Proximitní snímače:  proximita = blízkost ( vzdálenost v blízkém okolí )

Diskrétní snímače polohy: mechanické kontaktní; předmět přepne spínač (mikrospínač). Dva stavy - "vede" a "nevede". Používají se v narážkových systémech, též jako doplňující (ochranný) princip – jiným způsobem (bezkontaktním).

Slitiny kontaktů: aby byly odolné vůči elektrickým obloukům

Pb –Ir, Ag – grafit, malý přechodový odpor

pro velká napětí mžikový odskok ( rychlé přerušení - žabka)

Poděkování:  Investice do rozvoje vzdělávání. Tento výukový text je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky v rámci projektu č. CZ.1.07/2.2.00/28.0206  „Inovace výuky podpořená praxí“.

         Zpět na hlavní stránku   ׀   Zpět na seznam praktických cvičení  ׀ Měření polohy   ׀  Nakreslení blokového schématu měření

      Katedra konstruování strojů - JF - Předmět Měřící Technika (KKS/MT)
Copyright Š 2014   ZČU v Plzni - Fakulta strojní, Katedra konstruování strojů. Všechna práva vyhrazena.
Poslední aktualizace: 10. 06. 2014