Transcript
Senzory polohy lineární / rotační • Dvoustavové (proximity switch) • S kodovým výstupem : inkrementální / absolutní, optické /magnetické • Lineární – odporové – indukčnostní – kapacitní – optické – ultrazvukové
Dvoustavové senzory polohy (proximity switch)
dvoustavový princip: Mikrospínač jazýčkový kontakt Wiegandův senzor
lineární senzor polohy + komparátor: Hallův senzor magnetorezistor optická závora kapacitní ...
Jazýčkové kontakty (reed contacts) magneticky měkké kontakty
Φ
0
F 0
F 0
F
ovládány polem permanentního magnetu 3' 3
normálně rozepnutý 1' 1
(i normálně sepnutý a bistabilní typ)
2' 2 a)
hystereze malá je žádoucí vícenásobné zony sepnutí
4 5
6
x
4 5
6
x
4 5
6
x
x
Fk
aplikace: otáčky (bicykl), poloha (dveře)
1' 1
2' 2 3
1' 1
2' 2 3
b)
I
d)
c)
Hallův „spínač“ (Hall switch) • • • •
nejrozšířenější senzor polohy často CMOS min. 3 vývody různé spínací charakteristiky – vymezená frekv. oblast (dynamický typ = st) – polarita a hystereze • i diferenciální provedení • i ve smart provedení
Hallův „spínač“ (Hall switch)
Honeywell
Hallova sonda
VH B EH
EE W
I
t I L V
Hallovy rychlostní a polohové senzory pro řízení spalovacích motorů
Honeywell
Inteligentní Hallův senzor VD D
napájecí obvody
teplotní komp.
oscilátor
spínaná Hallova sonda
A/D
DSP
detekce úrovně napájení
EPROM zámek
GND
Micronas HAL 800: 3 vývody analogový <> digitální mod
ochranné obvody
D/A
číslicový výstup
100 Ω
OUT
Magnetorezistory • feromagnetické: – AMR (anizotropní magnetorezistance) • cilivější než Hallův senzor • citlivé v rovině chipu • výr. Philips, Honeywell, ... – příp. GMR • polovodičové: kvadratická charakteristika, vyšší B výr. Murata
Indukční cívka (indukční senzor) • • • •
ovládána permanentním magnetem založena na Faradayově jevu aktivní senzor tvar impulsu záleží na rychlosti změny B
N S
N S
Odporové senzory polohy potenciometr (ne reostat): potlačení změn rezistivity - rotační R U
jednootáčkový
R1 x R2
víceotáčkový - lineární
mechanické převody lankový senzor polohy: do 40 m buben, pružina ev. nelineární průběhy
Senzory s vířivými proudy
δ=
2ρ
ωµ
... zeslabení na 1/e = 0.37 i~
δ Magnetické Cívka pole
Hrníčkové magnetické jádro
Oscilátor
Stínění
Demodulátor
a)
Komparátor
Zesilovač
Senzory s vířivými proudy: konstrukce fokusace pole: feritové jádro, ev. stínicí kryt
Indukčnostní senzory s proměnnou vzduchovou mezerou x
S
L=
2
2
N N = µ0 Sd Rm 2d
I(jω) N a
LVDT = Linear Variable Differencial Transformer ±∆l
M1
+∆l -∆l L2´
S1
U2´(jω)
L1 P
Uz(jω) U´´ 2(jω)
S2
L´´ 2
I1(jω) M 2
a)
Synchronní detektor: ☺ potlačí kapacitní rušivý průnik a rušení ☺ rozliší směr posuvu
b)
UV0(jω)
Induktosyn
výstup p x měřítko
jezdec x
napájení do 1 jezdce
x U 2 = KU cos(2π ) = KU cos ϕ p
vzáj.indukčnost
M ~cosϕ
U = cos ωt ⇒ u 2 (t ) = KU cos ϕ cos ωt napájení do 2 jezdců
u 2 (t ) = u 21 (t ) + u 22 (t ) = KU (cos ϕ cos ωt + sin ϕ sin ωt ) = KU cos(ωt − ϕ ) hrubá stupnice: inkrementální, jemná: měření fáze
Induktosyn - napájení do měřítka u1 (t ) = KU sin ϕ sin ωt
u 2 (t ) = KU cos ϕ sin ωt
Pro zpracování nutno použít fázově citlivý usměrňovač
Animace: http://www.rdpe.com/ex/hiw-lvdtdc.htm http://www.rdpe.com/ex/hiw-lvdt.htm
Selsyn
Resolver stator stator α α rotor
rotor a)
R/D converter : AD2S1200
b)
R/D converter : AD2S1200
Magnetostrikční senzory polohy elastická vlna .... v = 3000 m/s = 3µm / ns (původně zpožďovací linka) S
senzor torze
J
puls i(t)
magnet
u(t)
posuv
tlumení
trubka z magnetostrikčního materiálu
☺ max. délka až 4 m (útlum) ☺ hystereze 0.4 µm Animace: ☺ linearita 0.02 % http://www.rdpe.com/ex/hiw-magneto.htm
Kapacitní senzory C=
εS d
Kapacitní senzor s proměnnou vzduchovou mezerou εS C= , d ∆C = C
∆d d ∆d 1+ d −
∆d
− 1 1 1 1 − = C ∆dd ∆C = εS − = Cd 1+ d + ∆d d d + ∆d d d
1 2 δ2 f 1 3 δ3 f δf y = f ( x) = f ( x0 ) + x + x 2 + x 3 .... δx x0 2! δx x0 3! δx x0 Taylorova řada
∆d x= d
x f ( x) = − 1+ x 2
1 2 3⋅ 2 δf δ2 f δ3 f , , f (0) = 0, = = − = δx (1 + x )2 δx 2 (1 + x )3 δx 3 (1 + x )4 3
∆C ∆d ∆d ∆d =− + + .... − C d d d
Diferenční Kapacitní senzor s proměnnou vzduchovou mezerou 2
3
∆C ∆d ∆d ∆d =− + − + .... C d d d
-x
2
d1 = d + ∆d
3
...
∆C1 ∆d ∆d ∆d =− + − + .... C d d d
...
∆C1 − ∆d − ∆d − ∆d =− + − + .... C d d d
2
d 2 = d − ∆d
C1 = C + ∆C1 , C 2 = C + ∆C 2
C1 - C 2 = ∆C1 − ∆C 2 3
+x
C1 - C 2 ∆C1 ∆C 2 ∆d ∆d = − = −2 − 2 − .... C C C d d
3
C1 C2
Poměrová metoda x0 C1 = C0 x0 − ∆x
C2 = C0
x0 x 0 + ∆x
x0 x0 − C0 x − ∆x x 0 + ∆ x C1 − C 2 ∆x = 0 = ... = C1 + C 2 x0 x0 x0 + C0 x 0 − ∆x x 0 + ∆x
-x
+x
C1 C2
úplně odstraňuje nelinearitu a závislost na dalších parametrech (S, ε).
Kapacitní senzor s proměnnou plochou překrytí
εS C= d
1
3
2 x
a) C13
C13+C23
−x
C23
+x
b) C23 - C13 C13 nebo nezávisí na d, ε C23 + C13 C23 + C13
Kapacitní senzor s proměnnou plochou překrytí 1
3
2
u1 1
x
P1
C13 3
C13
C13+C23
−x
C23 b)
uv
Reg.
u3
a)
U1
U1
uv
c)
x
1
U2 d)
t
2 x
3 e)
U1
uv
2 u2
+x
2 3
S
C23
1
u 1 ; u2
P2
U2
rozlišovací schopnost: 1 µm, chyba 5 µm
U2 f)
x
bezkontaktní Honeywell
Omega
Kapacitní bezkontaktní senzory a snímače a)
nevodivá clonka
vodivá clonka
b) elektroda
εr
elektroda
γ s
clonka
s
s s
εr
změna kapacity malá
stínění
stínění 1 Cv = f 2s
1 C v = f εr , s
střední c)
vodivá clonka uzeměná γ
elektroda
stínění
velká
1 Cv = f s
Aktivní stínění pouzdro zašpinění, orosení snímací elektroda výstup napěťový sledovač
kompenzační elektroda stínění
typicky C = 10 pF, pro d = 10 mm .. ∆ C = 50 pF = 1% C
obvody pro kapacitní senzory Hlavní problém kapacity přívodů (napěťový zdroj, měření proudu)
nábojová pumpa (charge pump) ☺ lze realizovat obvodem CMOS ☺ nejsou třeba transformátory
převodník C/f (multivibrátor) ☺ odpadne ADC
převodník C/U ☺kapacitní ZV odstraní frekvenční závislost
rozlišovací schopnost < 1 fF
u 2 (t ) = −
C C1 u1 (t ) = − 1 d (t )U m sin ωt CS εS
lineární i pro mezerový Cs
Optoelektronické senzory polohy Založené na: • změna polohy světelné stopy • zastínění (optická závora) • odraz • zrcadlový • difuzní • interference • doba šíření
(Position-Sensitive photo Detectors Polohově citlivé detektory)
PSD I A = I0
RL − RX RL
I B RX x = = I 0 RL L
;
I B = I0
RX RL
IA L − x = I0 L
IA − IB IA − IB L − x x x = = − = 1− 2 IA + IB I0 L L L
CCD a CMOS obrazové snímače microlens red color filter
reset transistor
amplifier transistor column bus transistor silicon substrate
row select bus photodiode n+ potential well
CMOS: pixel tvořen fotodiodou a MOS tranzistorem, napěťový výstup. Výběr řádku-sloupce spínacími tranzistory. Umožňuje zpracování obrazu na stejném chipu.
CCD = Charge Coupled Devices Optoelektronické senzory s nábojově vázanou strukturou: pixel tvořen CMOS kondenzátorem, ve kterém se vztvoří náboj úměrný expozici. Pixely se postupně vyčítají pomocí analogového nábojového posuvného registru
Inkrementální senzor polohy λMin = 7 µm Interpolátory: až 50 nm
Kvadraturní Kvadraturní ?? výstupy výstupy
position
α [000 00]
Grayův kód
[00101]
Kódový absolutní senzor polohy i magnetické provedení
Senzor clonicího typu (scanner)
laser
spojka
Fotodetektor a předzesilovač
rotující hranol cíl
t dvojitá derivace
budič motoru
displej oscilátor systému
čítač
hradlo
t
Odrazný senzor s amplitudovou modulací
aperture
V2 − V1 V = V2 + V1
Rec2
Em Rec3 Rec1
Pro malé vzdálenosti
Triangulační senzory cíl
-y
+y y
y=0
Θ
o laserová dioda
x0
xs
Difusní Difusníodraz odraz
??
A Úhel Θ typicky nastaven na 30°−50°
i -i 0 i= +i
xi
C detektor
Pro střední vzdálenosti
Pro největší vzdálenosti
Time of flight: 1.
Přímá metoda - světlo uletí 30 cm za 1 ns = rozlišení 1 cm na 1 km
2.
Metoda frekvenční modulace
Používá se i pro ultrazvuk a radar
Interferometrické senzory polohy referenční zrcadlo polopropustná měřicí plocha zrcadlo
u
λ/2
laser 45° ∆x u
světlý pruh
tmavý pruh
∆x
Michelsonův interfermetr
Odporové senzory polohy
+
R1
RV
−
I
U2
RV
Rv
R2
Rz
R U2
RV
A Rv→∞
a)
Potenciometrické uspořádání potlačuje změny ρ
b)
RD I RD
Odporové senzory polohy - úskalí • konečný vst. odpor elektroniky ⇒ nelinearita • ztrátový výkon P = U2/R ⇒ oteplení, odběr • kontakt (vliv nečistot a chem. produktů) • šum • drift (dlouhodobě 0.1 .. 1 %) • dynamické vlast. (odskakování, tření) • reprodukovatelnost (< 0.1 %) • linearita dráhy (1 % .. 20 ppm) • šum dráhy (pro velká R) • odolnost vůči vibracím • životnost (typ. 106 - +108 cyklů)
Lineární potenciometr LONG STROKE LINEAR POTENTIOMETERS
SPECIFICATIONS Total Resistance: 5000 Ohms ± 20% Linearity: ±1% S Hysteresis: ±0.001" (0.025 mm) Repeatability: ±0.0005" (0.012 mm) Incremental Sensitivity: 0.00005" Power Rating: 0.75 watts/stroke inch Temp. Range: -65 to 105°C (-85 to 221°F) Operating Force: 450 grams (1 Lb) maximum Shaft: 0.236" (6 mm) diameter with 1¼4-28 threaded end adapter Life: 100 million operations up to 12" stroke-derated proportionally for longer units (standard rate of travel 2"/sec) Omega
Navijákový senzor polohy s viceotáčkovým potenciometrem
