ń ę ś ą pm poj cia podstawowe mechatroniki. sensory · piezoelektryczne czujniki siły i...
TRANSCRIPT
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
• 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
11
Części składowe mechatroniki
9
Pojęcie „Mechatronika”
10
Definicje
12
Schemat blokowy układu mechatronicznego
13
Płaszczyzny systemów mechatroniki
Przykład modelu zawieszenia aktywnego pojazdu
17
Czujniki – układy pomiarowe
18
Normalizacja sygnałów
* Analogowych: 0..+5(+10)V-5(-10)…+5(+10)V0…20mA (dead zero)4…20mA (life zero)
* Cyfrowych : równolegle (Centronics)szeregowo (RS232, RS485, USB)
21
Parametry czujników
Linearyzacja ch-k
a) w punkcie
y(x)=y0 +y’(x)(x-x0)
b) w zakresie
Błędy pomiarowe
22
Klasyfikacja stopni ochrony IP• Stopnie ochrony IP Klasyfikacja stopni ochrony urządzeń
elektrycznych zapewnianych przez obudowy według normy PN-92/E-08106.Normy identyczne: EN 60529:1991, IEC 529:1989. Odpowiedniki: VDE 0470, DIN 40050, BS 5490:1977.
Definicje: Stopie ń 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.
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.
24
Wielkości pomiarowe kinematyczne i dynamiczne
25
Metody potencjometryczne
Schematy połączeń
Dane
26
Czujniki pojemnościowe
s
AC r 0εε=
εr – względna przenikalność elektryczna, ε0 – stała elektryczna, A – powierzchnia płyt, s – odległość płyt
• Typowe właściwości sensorów :
• zakres pomiarowy 0,1...10mm
• rozdzielczość 0,1...10nm
• liniowość 0,01%
28
Metody indukcyjne
L0 - indukcyjność bez szczeliny ( x=0 )xm - wielkość szczeliny przy której L=1/2(L0+Lmax),tj. L przyjmuje
wartość środkową
a) dławik prosty
b) dławik róŜnicowy
30
Czujniki indukcyjne i hallotronowea) b)
b) czujniki hallotronowe.
33
Zjawisko Halla
• Q- ładunek elektryczny,• w-wektor prędkości
ładunku,• - indukcja
magnetyczna,• H- natęŜenie pola
magnetycznegosiła Lorentza F = Qw x B
Zjawiska :Rys a :Skręcenie linii sił ekwipotencjalnych(element Halla)
gdzie : -RH współczynnik Halla zaleŜny od
materiału -d grubość płytkiRys b: WydłuŜenie toru prądu w półprzewodniku przez odchylenie nośnika ładunku (płytka polowa)
gdzie:- R0 wartość RB dla BZ =0,- k stała zaleŜna od materiału i geometrii
HB rµµ0=
d
RBIU H
ZH 0=
)1( 20 ZB kBRR +=
34
Czujniki magnetorezystancyjnezasada działania
• Charakterystyka
36
Czujniki magnetorezystancyjneSchematy
• Sensorowy mostek pomiarowy
• Czujnik zintegrowany
38
Magnetorezystancyjne czujniki połoŜenia kątowego
Optyczne układy pomiaroweEnkodery inkrementalne prędkości obrotowej i
połoŜenia kątowego• Podstawowy
parametr : liczba impulsów na obrót
Sygnały wyjściowe enkodera optycznego impulsowe: L – ( low) niski , H – (high) wysoki
Optyczne układy pomiaroweEnkodery (resolwery) absolutne
prędkości obrotowej i połoŜenia kątowego
• Sygnały wyjściowe enkodera absolutnego : cyfrowe -binarne
n
• Liczba ścieŜek = n -------- Rozdzielczość 2 • Często stosuje się Gray Code (patrz tabela). Dlaczego?
Tensometryczne układy pomiarowe
Działanie:
A
lR
ρ=
gdzie : R – opór (rezystancja) tensometru ρ- oporność właściwa, l – długość przewodnika , A – przekrój przewodnika
Budowa tensometru
Budowa tensometru : a) foliowego , b) półprzewodnikowego
ZaleŜność między wydłuŜeniem ε a zmianą oporności :
εkR
R =∆
gdzie : ≈k 2 dla foliowych , ≈k 100 dla półprzewodnikowych
Mocowanie do podłoŜa : kleje utwardzane na zimno lub na gorąco
Tensometryczny układ pomiarowyPasmo przenoszenia: od zera do m
c=0ω
gdzie : c - stała spręŜystości m - masa całkowita zamocowana przed czujnikiem w kierunku siły. Układ pomiarowy: Mostek Wheatstone’a + wzmacniacz pomiarowy
B- Wzmacniacz ; C- Układ kompensacji temperaturowj Napięcie wyjściowe mostka UA :
εNkUU VA = gdzie : UV - napięcie zasilania N - współczynnik mostka=liczba tensometrów ε - wydłuŜenie
Grubowarstwowe czujniki ciśnienia• Czujnik ci śnienia w przewodzie dolotowym 20-400kPa• Czujnik ci śnienia otoczenia 60-115kPa
Mikromechaniczne czujniki ciśnienia• 1 - 3 przył ącza elektryczne• 2 -- komora pró Ŝniowa• 4 – elektroniczny chip pomiarowy(krzemowy z wytrawion ą przepon ą z naniesionymi dyfuzyjnie 4 tensometrami, przegi ęcie przepony 0.01 – 1 mm)
• 5 – cokół szklany• 6 – pokrywa• 7 – doprowadzenie ci śnienia
Typowy zakres pomiarowy 250kPa. Ciśnienie jest odniesione do próŜni a nie do otoczenia.
Tensometryczne czujniki siły o nacisku ortogonalnym
Budowa
• 1-pierścień poddawany działaniu siły
• 2-izolacja• 3-warstwa klejowo-
szklana• 4-warstwa czynna
przetwornika
• 5-izolacja• 6-pierścień nośny
Tensometryczne czujniki siły
o nacisku ortogonalnymCharakterystyki róŜnych materiałów
• 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)
Czujniki nacisku na fotelach pojazdów
Przetworniki piezoelektryczne Zjawisko proste : zmiana rozmiaru kryształów
pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego Zjawisko odwrotne : pojawienie się ładunków elektrycznych na
przeciwległych ściankach odkształcanego kryształu
Model efektu piezoelektrycznego
a)kryształ nieobciąŜony b)podłuŜny efekt piezoelektryczny
Materiały piezoelektryczne :________________
__- Monokryształy(kwarc, dwufosforanamonowy)
- Polikryształy(ceramika
zawierającaspolaryzowane ferroelektryki)
Schemat wzmacniacza ładunku dla odwrotnego zjawiska piezoelektrycznego
∫ ==C
Qdtti
CU wyj )(
1
)(tidt
dQ =
Pojemność własna = 200pF Rezystancja wejściowa = 1012
Ω Stała czasowa = 200ms
Budowa i charakterystyka czujnika przyspieszenia
Częstotliwość dolna ok. 1/10 Hz Częstotliwość górna ograniczona pierwszą częstotliwością własną masy
drgającej m
m
cfo Π
=2
1
gdzie c stała spręŜystości
Piezoelektryczne czujniki przyspieszenia
w systemach bezpieczeństwa pojazdów
Piezoelektryczne czujniki siły i momentu
Prawo Hook’a
εEA
F = 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:
FkQ p= gdzie kp stała piezoelektryczna zaleŜy od : materiału i kąta między płaszczyznami kryształu i siłą
Dla czujnika kwarcowego z efektem podłuŜnym
N
Askp
12103,2 −•=
Napięcie wyjściowe wzmacniacz ładunku: FC
k
C
QU p
wyj ==
Piezoelektryczne czujniki kąta obrotu Budowa girometru
• 1-4 pary elementów piezoceramicznych• 5-cylinder drgający• 6-płyta podstawy• 7-nóŜki przyłącza wtykowego
Ultradźwiękowe metody pomiaroweMateriały : ceramiki piezoelektryczne, które odkształcają się podwpływem przyłoŜonego napięcia.Np. tytanian baru , polimery (PVDF)Częstotliwość pobudzenia : 20...200kHz.
Obraz sygnału czujnika ultradźwiękowego.a) przebieg czasowy b) rozkład intensywności pola dźwięku (-40dB...0dB) tzw. „maczuga” promieniowania
Charakterystyka
pola ultradźwiękowegoPoziom ciśnienia akustycznego to
0
lg20p
p dB (decybeli) ,
gdzie p0 = 2*10-5 Pa
Ultradźwięki gdy p < p0 (< 0dB). Dźwięki słyszalne gdy p0 < p < 20Pa (0dB <...< 120dB)
* Bliskie pole tzw. strefa Fresnela z oscylującym rozkładem intensywności ma długość r
λ4
2Dr =
gdzie: D- średnica ultradźwiękowego elementu drgającego, λ – długość fali
* Dalekie pole tzw. strefę Fraunhofera dla R>>r charakteryzuje : spadek intensywności jak 1/r2
Wpływ parametrów otoczenia na rozprzestrzenianie się fal dźwiękowych
Prawo falowe :
fv λ= gdzie : v – prędkość rozprzestrzeniania się, λ – długość fali, f – częstotliwość. Prędkość dźwięku v zaleŜy od temperatury otoczenia, wilgotności i ciśnienia
powietrza i wynosi około 343m/s
27310
Tvv +=
T – temperatura wKelwinach.
Wybór częstotliwości wzbudzenia dla przetwornika ultradźwiękowego
• 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.
Schemat blokowy
sondy ultradźwiękowej
Algorytm: I. Mikrokontroler wł ącza przetwornik na nadawanie i wysyła sekwencję drgań II. Rozpoczyna się pomiar czasu przez licznik impulsów wzorcowych. III. Mikrokontroler przeł ącza 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.
Ultradźwiękowe czujniki parkowania
Przykład obliczania odległości od przeszkody za pomocą czujnikaultrad źwiękowego o f=40kHz : a=0,5t·c,
gdzie : t-czas od wysłania sygnału do powrotu echa, c=342m/sZakres wykrywania : 0,25m ...1,5m
Pomiary przepływówobjętościowe i masowe
1 - Przepływ laminarny, gdy Re poniŜej wartości 2100. 2 - Przepływ turbulentny, gdy Re powyŜej tej wartości.
Profil pr ędkości v(r) w strumieniu charakteryzuje liczba podobieństwa Reynoldsa
ην D
Re =
gdzie : D – średnica strumienia, η –kinematyczna lepkość medium, ν – prędkość średnia strumienia. Przepływ objętościowy (m3/h)
AQv ν=
Przepływ masowy (kg/h) AQm ρν=
gdzie : A- pole powierzchni przekroju poprzecznego, ρ – gęstość jednorodna
Przepływomierze ciśnienioweWydatek jest średnią wydatku obj. i masowego
mst QQconstconstQ ννρ ==
Równanie ciągłości strugi ( zachowania masy)
constAA == 222111 νρνρ Równanie Bernouliego (zachowania energii)
constp =+=+ 2222
2111 2
1 νρρνρ
Dla ρ1=ρ2=ρ moŜna wykazać, Ŝe :
−=∆
21
22
2 11
AAQp v ρ
Termoanemometry drutowe charakterystyka - układ regulacji
∆Θ== λcRIW Hel2
gdzie : λ- przewodność cieplna drutu, ∆θ – róŜnica temperatur Prąd grzejny : IH=f(QM)
Przepływomierze spiętrzająceobjętościowe
• 1-skrzydło spiętrzające
• 2-czujnik temperatury• 3-przyłącze elektryczne• 4-potencjometr
przetwarzający połoŜenie kątowe na napięcie elektryczne
• 5-obszar tłumiący• 6-skrzydło
kompensacyjne
Zasady pomiaru temperatury za
pomocą termistorów
Przetwarzanie napięciowe:
vRTR
TRUTU
+=
)()(
)( 0
Przetwarzanie prądowe: )()( 0 TRITU =
Zwykle
)( ov TRR ≈ dla T0=20 st.C
Termistory NTC
• 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
Charakterystyka NTC
−
= 0
11
0)( TTB
eRTR gdzie : R0=R(T0), B=2000…5000K = const
Stromo ść charakterystyki
2T
BTK −=
Termistory PTCcharakterystyka – współczynniki temperaturowe
Charakterystyka PTC
( )[ ]...1)( 20 +∆+∆−= TTRTR βα
gdzie : ∆T=T-T0 , α- liniowy współczynnik temperaturowy (TK), β – kwadratowy współczynnik temperaturowy ( zwykle b.mały, ale nie zawsze do pominięcia) Uśredniona warto ść nachylenia :
( ) ( )( ) KCR
CRCRTK
1000
0100100 0
00
⋅−=
Półprzewodnikowe czujniki
temperaturyAlternatywa dla termistorów NTC i PTC Współczynnik temperaturowy dodatni Względnie liniowa charakterystyka temperaturowa. Zakres temperatur standardowo od -55OC do 150OC (moŜliwe300OC)
Przekrój kryształu. Wymiar chipa : 500 x 500 x 240µm
Charakterystyki półprzewodnikowych czujników temperatury
RT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref )2]
lubRT = Rref [1+A(T - Tref ) + B(T – Tref )
2-C( T-TI )D]
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)
Układ pomiarowy termoparyA,B- termoramiona
( 2 zlutowanepółprzewodniki 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 termoelektrycznaUth = c (TM - TR )
Termoelementy (termopary)Efekt Seebecka Napięcia termoelektryczne
( )12 TTcU th −=c-stała termoelektrycznaT2 -spoina, T1 -zimne końceNapięcie Uth [mV/100st.C] jestodnoszone do platyny jakomateriału bazowego
Bezstykowe pomiary temperaturypirometria
• 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 obrazumatryca termowizyjna
• 1- chip krzemowy• 2- piksel• 3-4 – przyłącza
- „gorące” punkty na membranie termicznie izolowanej
- „zimne” punkty na brzegu chipa - upuście ciepła