Jelenlét, pozíció, elmozdulás érzékelők

Átírás

1 Jelenlét, pozíció, elmozdulás érzékelők 1

2 A szenzorok néhány főbb típusa: Ellenállásos szenzorok, Kapacitív szenzorok, Elektromágneses szenzorok, Piezoelektromos szenzorok, Optoelektronikus szenzorok és Digitális szenzorok.

3 Ellenállásos szenzorok

4 Ellenállásos szenzorok Működésük elve: Mechanikai erő, hőmérsékletváltozás vagy különböző sugárzások hatására ellenállásváltozás jön létre. Az érzékelő elem maga az ellenállás. Halmazállapota lehet: szilárd, cseppfolyós gáz.

5 Az ellenállásos érzékelők felépítése Szilárd anyagból készült ellenállásos érzékelők: olyan fizikai nagyságok mérésénél használatosak, amelyek mechanikai erővel vagy hőmérséklettel hozhatók kapcsolatba. Fémből vagy félvezetőből készülnek. A fém ellenállások értékét a következő ismert képlet alapján számítjuk: R l S Az ellenállás értéke megváltozik ha bármely tényező ebben a képletben valamilyen külső hatásra megváltozik. 5

6 A szilárd halmazállapotú ellenállások egyik alaptulajdonsága, hogy az ellenállásuk kisebb vagy nagyobb mértékben függ a hőmérséklettől. R t R T T0 T T0 T T0... ahol: R 0 -A T 0 referens hőmérsékleten mért ellenállás, R t -A T aktuális hőmérsékleten mért ellenállás, α,β,γ, -Az ellenállás megfelelő hőmérsékleti együtthatói.

7 Potenciométeres jelátalakítók A potenciométerek változtatható ellenállások. Két alaptípusuk van: forgó és egyenes vonalú (toló). 7

8 Forgó potencióméterek Forgó szolenoidos kivitel 8

9 Forgó potencióméterek Forgó szolenoidos kivitel 9

10 Forgó potencióméterek Forgó grafit érintkezővel 10

11 Különleges alkalmazás 11

12 Potenciométeres jelátalakítók tulajdonságai csúszka súrlódása hiszterézis hibát okoz; csúszka és az ellenálláspálya kopik; csúszka és az ellenálláspálya közötti átmeneti ellenállás elektronikus zajt okoz; csak terheletlenül (R t = ) lineáris; a linearitást a vezeték-ellenállások is kedvezőtlenül befolyásolják; 12

13 Nyúlásmérő bélyegek R l S 13

14 Nyúlásmérő bélyegek fajtái Fémes ellenállásanyagú Félvezetőből készült 14

15 Nyúlásmérő bélyegek fajtái Fémes ellenállásanyagú 15

16 Nyúlásmérő bélyegek 16

17 Mit mérhetünk vele? elmozdulást, sebességet, gyorsulást, erőt, nyomatékot, nyomást 17

18 Hogyan mérhetünk vele? U CD U 0 R 1 R 1 R 2 R 3 R 3 R 4 U 0 R R R R 1 R R R 3 2 R 3 4 Wheatstone-híd A hídágban megjelenő villamos feszültség nagysága arányos a mérendő mechanikai feszültséggel, illetve az ebből visszakövetkeztethető megnyúlással. 18

19 Kapacitív érzékelők 19

20 Kapacitiv érzékelők Két fém felület, melyek között dielektromos (szigetelő) anyag van kondenzátort képeznek. A kapacitás a következő képlettel számítható: C 0 S d Amennyiben az S, d vagy ε nagyságot megváltoztatjuk a kondenzátor kapacitása megváltozik a megváltoztatott nagyság függvényében, ezáltal kapacitív érzékelőt kapunk. A kapacitív szenzorok jó tulajdonságai a következők: egyszerűség, áttekinthetőség, magas érzékenység és alkalmazhatóság magasabb hőmérsékleteknél is.

21 Kapacitiv szenzorok felépítése A kapacitív szenzorok jó tulajdonságai a következők: egyszerűség, áttekinthetőség, magas érzékenység és alkalmazhatóság magasabb hőmérsékleteknél is. Oda kell figyelni a parazita kapacitásokra és más tökéletlenségek-re!

22 Kapacitív érzékelők felépítése

23 Váltakozó felületű kapacitív szenzorok -Egyszrű síklemezes kapacitív szenzor

24 -Síklemezes kondenzátor, feljavított változat -Differenciális szenzor váltakozó felülettel, -Féldifferenciális kapacitív szenzor váltakozó felülettel

25 -Forgókondenzátor - kapacitív szenzor -Cilindrikus kapacitív szenzor.

26 Váltakozó elektródatávolságú kapacitív szenzorok -Egyszerű sík kapacitív szenzor, -Differenciális kapacitív szenzor -Féldifferenciális kapacitív szenzor

27 Váltakozó dielektrikumú kapacitív szenzorok -Váltakozó dielektrikumú síkkondenzátorok -Váltakozó dielektrikumú cilindrikus kondenzátorok

28 Mérési sémák kapacitív érzékelőkkel: Mérőkörök felépítése kapacitív szenzorokkal. A kapacitív érzékelőkkel végzett mérések egyik kikerülhetetlen problémája: a parazita kapacitások, a kondenzátorok borító lemeze és a csatlakozó vezetékek, valamint a föld (massza) között. A parazita kapacitások időben váltakoznak és gyakran nagyságrendjük megegyezik a mért kapacitások nagyságával, és a mért fizikai nagyság függvényében változik. -Sémák amplitudó modulációval -Sémák frekvencia modulációval -Kompenzaciós-hidas sémák

29 Sémák frekvencia modulációval

30 Alkalmazási példa 30

31 Alkalmazási példa 31

32 Elektromágneses szenzorok (átalakítók) Működési elvük Az elektromágneses szenzorok működése a tekercs induktivitásának, a mágneses kör mágneses ellenállásának változásán vagy az elektromágneses indukción alapul. E tekintetben megkülönböztetjük az öninduktivitás-, kölcsönös induktivitás változásán alapuló és indukciós érzékelőket. A kölcsönös- és öninduktivitás változáson alapuló szenzorokat passzív, az indukciós szenzorokat pedig aktív szenzoroknak is nevezzük.

33 A légréses, ferromágneses magú, tekercs induktivitását a következő képlettel számíthatjuk: L N Z 2 m 2 2 R m N R 2 R 2 g 0 l m S m N S 2 2P N m 2 m Ahol: Z m a mágneses ellenállás [H -1 ], R m, R δ és R g a vasmag, légrés és a veszteség mágneses ellenállásai [H -1 ], a légrés hossza, [m], S m és S δ a vasmag és a légrés keresztmetszete [m 2 ], 0 = a vákuum mágneses permeabilitása r a ferromágneses anyag relatív permeabilitása, l m a mágneses erővonalak középhossza, P m, a vasmag teljesítményvesztesége W, a mágneses fluxus Wb és N a menetek száma.

34 Mivel a vasmag mágneses ellenállása kicsi, a vasmag veszteségei elhanyagolhatóak, így az induktivitás a következő képlettel határozható meg: L N 2 S 0 2

35 Induktív szenzorok felépítése Váltakozó légrésű induktív szenzorok

36 Induktív szenzorok váltakozó keresztmetszetű légréssel Egyszerű Vátozó vasmaggal Differenciális

37 Kölcsönös induktivitás elvén működő szenzorok Működési elv: A kölcsönös induktivitás elvén működő szenzorok az induktív szenzorok külön csoportját képezik, mivel két mágnesesen összekötött tekercsel rendelkeznek. Ennek köszönhetően a betáplálás és a kimenet között transzformátoros kapcsolat van, így ezeket a szenzorokat transzformátoros szenzoroknak is nevezik. Váltakozó hosszú vagy keresztmetszetű légréssel készülnek. Alkalmasak kicsiny mechanikus elmozdulások mérésére.

38 kölcsönös induktivitás elvű szenzorok (LVDT = Linear Variable Differential Transformer)

39 kölcsönös induktivitás elvű szenzorok nem a tekercs induktivitását mérjük, hanem a két szélső (szekunder) tekercsben indukált feszültséget a jelátalakító súrlódás nélkül is megépíthető, nagy a megbízhatósága

40 Indukciós szenzorok Ezeknek a szenzoroknak a működési elve az elektromágneses indukción alapszik. Ha egy mozgó vezető egy állandó mágnes erővonalait metszi abban feszültség indukálódik. U=NlBν Az önindukciós és a kölcsönös indukció elvén működő szenzoroktól eltérően az indukciós szenzorok valójában generátorok, így az aktiv szenzorok csoportjába tartoznak.

41 Az indukciós szenzorok felépítése attól függ hogy mozgó tekercses vagy mozgó mágneses kivitelről van szó, illetve hogy szögsebesség mérésére szolgálnak-e. Mérési sémák elektromágneses szenzorokkal: ezeket a sémákat megkülönböztetjük asszerint hogy az öninduktivitás, a kölcsönös induktivitás vagy az indukció elvén dolgozó szenzorokra alkalmazzuk őket. Azután az első csoport felosztható asszerint is hogy egyszerű vagy különböző diferenciális szenzorok részére készülnek.

42 Hall effektus Az érzékelő elem egy félvezető lemez, melyen keresztül egy I h állandó értékű áram folyik. Ha a lemez egy homogén B indukciójú mágneses térben helyezkedik el, a lemez oldalsó élein feszültség indukálódik U i K BI d ahol: d -a lemez vastagsága, K h -Hall álandó B -Indukció h h

43

44 Piezoelektromos szenzorok Működési elvük Bizonyos egykristály szerkezetű dielektromos anyagok mechanikai igénybevétel hatására elektromos potenciált produkálnak. A legismertebb ilyen anyag a kvarc (SiO2)... A piezoelektromos dielektrikum állapota Általános esetben függ az elektromos, mechanikus és termikus nagyságoktól.

45 Működési elvük

46

47 A piezoelektromos érzékelők felépítése Készülnek: prizma, tárcsa, henger(cső) vagy hengerszelet alakjában.

48 Az érzékenység akkor a legnagyobb, ha az l/d arány maximális, azaz ha a piezoelektromos átalakító szalag alakú. Sajnos, a szalag szilárdsága kicsi és könnyen törik hosszanti terhelés esetén. Szilárdság szempontjából legmegfelelőbb a cilindrikus alak, de nehéz előállítani. Többrétegű piezoelektromos érzékelők A piezoelektromos érzékelők hiányosságai az alacsony kimeneti feszültség, és a gyenge mechanikai szilárdság. Ezek a hiányosságok kevésbé kifejezettek a többszörös és összetett szenzoroknál, melyek több egyszerű érzékelő soros, párhuzamos csatolásával jönnek létre.

49

50 Transzformátoros piezoelektromos érzékelők Ezek az érzékelők két piezoaktiv szekcióból tevődnek össze. Az első szekció a fordított piezo effektus elvén működik, úgy hogy a bemenő feszültség mechanikus oszcilációkat gerjeszt a rezonáns frekvencia tartományában, ahol a belső amplitúdó a legnagyobb. A második szekció a közvetlen piezo effektus elvén működik. Az érzékelők ezen típusát villamos nagyságok mérésére használjuk (áram, feszültség, frekvencia) és két csoportra osztjuk őket:

51 Feszültség transzformátorok melyek kimenő feszültsége nagyobb a bemenőnél relatív kicsi kimenő áram mellett (1 ma-ig) Áram transzformátorok melyek kimenő feszültsége kisebb a bemenőnél, míg a kimenő áram viszonylag nagy (10 A-ig)

52 Optoelektronikus szenzorok 52

53 Optoelektronikus szenzorok Az optoelektronikus átalakítók működési elve a fény valamely paraméterének a mért fizikai nagyság hatására történő változásán alapul. Az optoelektronikus átalakítóknál csak optikai kapcsolat van a mért nagysággal és nincs sem galvanikus sem mágneses. 53

54 Optoelektronikus szenzorok tulajdonságai Előnyös: galvanikus szétválasztás, egyszerű csatolási sémák, a mérés és a jel átvitelének kompatibilitása, zajvédelem, lehetőség a fizikai nagyságok kicsi és nagy intenzitásának mérésére, a kimenő jel szabványosításának lehetősége, a statikus és a dinamikus mérési karakterisztikák jó minősége. Hátrányos: összetett kivitelezés, a jelfeldolgozás komplikáltsága érzékenység a mechanikus vibrációkra és viszonylag magas ár. 54

55 Az optikai szenzorok felépítése Az optikai szenzorok általában három részből álnak: (fény)forrás, fényérzékelő és szállítóközeg. Fényforrás mint érzékelő Leginkább LED-diodákat vagy lézer diodákat (LD) alkalmazunk. Fényérzékelő mint optikai szenzor Fényérzékelő mint optikai szenzor: a fényenergiát elektromos nagysággá (áram, feszültség, ellenállás, kapacitás vagy villamos töltés) alakítja át.

56 Az optikai szenzorok alkalmazása Közelítés Távolság Fényerősség Stb.

57 Fényellenálás CdS (kadmium-szulfid) és CdSe (kadmiumszelenid) anyagokból készül.

58 Optikai közelítés érzékelők Az optikai érzékelők optikai és elektronikai eszközök kombinációját használva jelzik a különböző objektumok tárgyak, anyagok jelenlétét. Fényforrásként LED-et használnak (infra vörös vagy vörös színtartomány) Vevőoldalon fotodióda vagy foto tranzisztor található

59 Optikai közelítés érzékelők típusai Alkalmazásuk szerint feloszthatjuk őket: Egyutas fénykapu Reflexiós fénykapu Tárgyreflexiós

60 Optikai közelítés érzékelők típusai Egyutas fénykapu

61 Optikai közelítés érzékelők típusai Egyutas fénykapu Egyutú fénykapu előnyei: nagyobb biztonság nagy érzékelési távolság kisméretű tárgyak érzékelhetők nagy távolságból is a tárgy fényvisszaverő képessége tetszőleges, korlátozott fényáteresztő képességű objektum jelzésére is alkalmas nagy pozicionálási pontosság Egyutú fénykapu hátrányai: két különálló eszközből áll az átlátszó objektumokat nem jelzi

62 Optikai közelítés érzékelők típusai Reflexiós fénykapu

63 Optikai közelítés érzékelők típusai Reflexiós fénykapu előnyei: nagy érzékelési biztonság adó és vevő egybe van építve egyszerű beállítás a fényt szórtan visszaverő, korlátozottan tükröző és korlátozottan átlátszó tárgyak egyaránt detektálhatók a tárgyreflexiós érzékelőkhöz képest nagyobb érzékelési távolság Reflexiós fénykapu hátrányai: jól átlátszó objektumok és erősen tükröző felületek esetén nem jelez (beállítással korri-gálható) tükröt kell felszerelni, beállítani és karbantartani

64 Optikai közelítés érzékelők típusai Tárgyreflexiós kapu

65 Optikai közelítés érzékelők típusai Tárgyreflexiós fénykapu előnyei: adó és vevő egy elemet alkot illetve nincs szükség tükörre a fényt szórtan visszaverő, tükröző és korlátozottan átlátszó tárgyak egyaránt detektál-hatók, ha elegendő a visszavert fény erőssége nem csak oldalirányból érkező objektumokat jelez, hanem szemben is használható beállítástól függően az objektum a háttértől elkülöníthető (háttérkioltás) Tárgyreflexiós közelítéskapcsolók hátrányai: a visszavert fény iránya nem egzakt, a fénykapu pontosabb kisebb érzékelési tartomány fényelnyelő (pl. fekete) objektumokat nem jelez