Mechatronika Modul 5-8

Átírás

1 Mechatronika Modul 5-8 Jegyzet (Elképzelés) Mechatronikus komponensek Mechatronikus Rendszerek és funkciók Biztonság, üzembe helyezés, hibakeresés Mechatronikus rendszerek távdiagnosztikája és karbantartása EU-Projekt: MINOS, Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

2 A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország Projektvezetés Corvinus Egyetem, Informatikai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0) Fax: +49(0) Internet:

3 Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország EU-Projekt: MINOS, Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért.

4 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Tartalom 1 Induktív érzékelők Bevezetés Fizikai alapok LC rezonancia Elektronikus áramkör Alapkonstrukció Működési elv Redukciós tényezők Szerelés Speciális szenzorok Gyűrű-érzékelő Mágneses térre érzéketlen szenzorok Különleges körülményekre tervezett szenzorok Mozgás irányának felismerése NAMUR szenzorok Analóg induktív szenzorok Egyenáramú készülékek Váltóáramú készülékek Érzékelők összekapcsolása Biztonság és védelem Busz kapcsolat Alkalmazások Kapacitív érzékelők Bevezetés Fizikai alapok Alapkonstrukció Szenzor típusok Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása Interferencia kompenzáció Alkalmazások Ultrahangos érzékelők Bevezetés Fizikai alapok Hanghullámok terjedése levegőben Környezeti hatások Ultrahang hullám átalakítók Hanghullám létrehozása Az ultrahangos érzékelők működésének elve Diffúz sugaras működés Átmenő sugaras üzemmód Lehetséges hibák Fizikai eredetű hibák Szerelésből adódó hibák Szenzorok szinkronizálása Speciális ultrahangos érzékelők Reflexiós érzékelők Két átalakítós érzékelők

5 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.6 Analóg kimenetű érzékelők Alkalmazások Fotoelektromos érzékelők Működési elv Fotoelektromos komponensek Fizikai alapok Fényemittáló elemek Fénydetektáló elemek Alapvető érzékelő típusok Átmenő sugaras érzékelők Retro-reflexiós érzékelők Diffúz sugaras érzékelők Jelfeldolgozás Zavaró hatások Zavaró hatások kiküszöbölése Működési többlet Működési távolság Válaszadási idő Speciális érzékelők Retro-reflexiós polarizált érzékelő Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők Optikai szálas érzékelők Csatlakozástechnika Csatlakozási típusok Kimenet átváltása Alkalmazások Mágneses érzékelők Alapok Fizikai alapok Mágneses mező Reed kapcsoló Hall effektus Magnetorezisztív hatás Wiegand effektus Reed kapcsolós mágneses érzékelők Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők Speciális mágneses érzékelők Magnetorezisztív érzékelők Wiegand mágneses érzékelők Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel Szerelési követelmények Alkalmazások

6 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Bevezetés Az induktív érzékelők (szenzorok) az automatizálásban a helyzet és a transzlációs mozgás ellenőrzésére és vezérlésére leginkább elterjedt érzékelők. Sok alkalmazás esetén ez a szenzor a legjobb választás, hiszen egyszerű és kompakt felépítése mellett nagy megbízhatóság és egyszerű beszerelhetőség jellemzi. Az induktív érzékelők olyan jelátalakítók, melyek kimenetük állapotváltozásával jelzik fémes tárgyak jelenlétét érzékelési területükön belül, anélkül hogy direkt kontaktus alakulna ki. Egy induktív szenzor az alábbi alapvető építőelemekből áll: vasmagos indukciós tekercset tartalmazó fej, szinuszos feszültséget kibocsátó jelgenerátor, érzékelő rendszer (komparátor) és egy kimeneti erősítő. A tekercsből és vasmagból álló indukciós rezgőkör egy változó, nagy frekvenciás mágneses teret indukál a szenzor körül. Ez a mező minden, a szenzor közelében található fémes tárgyban örvényáramokat hoz létre. Ezek az örvényáramok az induktív áramkör terheléséhez vezetnek, melynek eredménye a rezgési amplitúdó csökkenése. A változás mértéke a fémes tárgy és a szenzor távolságának függvénye. A szenzor kimenetének megváltozása annak karakterisztikájától függően a fémes tárgy egy adott távolságon belül történő elhelyezkedése esetén következik be. Analóg szenzorok esetén a kimeneti jel szintje fordítottan arányos a tárgy szenzortól való távolságával. 1. ábra: Induktív szenzor működési elve 5

7 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.2 Fizikai alapok LC rezonancia Az induktív szenzorok változó mágneses mezejének forrása egy tekercs. Ha a tekercsen átfolyó áram időben változik, a tekercs mágneses fluxusa is változik. Ezek a változások mindig az önindukió jelenségével kapcsolatosak, azaz a tekercs meneteiben keletkező feszültség ellentétesen ható áramot indukál. Párhuzamos rezgőkörök esetén a teljes energiát az indukciós tekercs mágneses mezejének energiája (E L ) és a töltött kondenzátor E c elektromos mezejének energiája (E c ) tárolja. Ezen két energiatag összege tetszőleges időpillanatban állandó, azaz E = E L + E c = állandó (lásd ábra). Kezdetben az LC kör az L tekercsből és C kondenzátorból álló kör nyitott, és a teljes energiát a töltött kondenzátor fegyverzetei tárolják. A kör zárása után a kondenzátor kisül, tehát áram folyik, melynek értéke nulláról I max -ig emelkedik. Ekkor a kondenzátor teljes energiáját a tekercs tárolja. Még ha a kondenzátor teljesen ki is sül, a körben az áram továbbra is azonos irányba folyik. Ennek oka a tekercs öninduktanciája, mely fenntartja a csökkenő áramot. Ez az áram feltölti a kondenzátort, tehát az energia ismét itt tárolódik. Amint a kondenzátor töltése eléri annak maximális értékét, az áramkörben megszűnik az áram. A végállapot tehát megegyezik a kiindulási állapottal, eltekintve a kondenzátor ellentétes irányú töltésétől, mely hatására az áram az áramkörben ellentétes irányban folyik majd. Összefoglalva tehát, minden LC körben a kondenzátorban elektromos, a tekercsben pedig mágneses rezgés keletkezik. Valós LC-körökben a tekercs és a kondenzátor saját ellenállása következtében mindig fellép energiaveszteség. Ennek következtében egy RLC ellenállású áramkör rezgései csillapítottak (azaz csökkennek). A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. A rezgés amplitúdója ekkor maximális, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával. 6

8 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos f = f0 1 = 2π LC [ Hz] ahol: f f 0 L C külső szinuszos forrás frekvenciája, csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciája induktivitás [Henry] kapacitás [Farad] A fenti egyenlet az áramkör feszültség vagy áram rezonancia feltétele. A rezgés amplitúdója annál nagyobb, minél nagyobb az adott áramkör jósági tényezőa. I L I + - C L I - + C t E - L E - C E - L E - C L C L C L C E =0 L E =E C E =E L E =0 C E =0 L E =E C 2. ábra: LC-kör rezgése a) b) c) LC RLC L RLC L L C R C G R C 3. ábra: LC- és RLC-körök rezgése: a) csillapítatlan LC-kör; b) RLC-kör külső forrás nélkül; c) RLC-kör külső szinuszos forrással 7

9 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A Q jósági tényező az L és C elemek által létrehozott veszteségek mértéke, melyeket a párhuzamos R ellenállás jelképez. Veszteségmentes áramkörben rezonancia esetén az R ellenállás végtelen lenne. Minél nagyobb az áramkör ellenállása, annál nagyobb a párhuzamos ellenállás, tehát annál nagyobb a jósági tényező is. R Q = 2πfL 8

10 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Elektronikus áramkör Egy tekercsből és egy kondenzátorból álló rezonancia körrel rendelkező generátor rezgésének fenntartására műveleti erősítőket vagy tranzisztorokat használunk. A rezgés beindulásához két független feltételnek kell teljesülnie: a fázis és az amplitúdó feltételnek. A fázis feltétel szerint a kimeneti feszültség fázisának meg kell egyeznie a bementi feszültség fázisával. Az amplitúdó feltétel szerint az erősítőnek az összes, a rezgőkörben fellépő csillapítási veszteséget kompenzálnia kell. Ebben az esetben egyedül a generátor közli a kimenet rezgését fenntartó jelet. Egy tekercset és kondenzátort tartalmazó rezgőkörben feszültség és áram rezgések is keletkeznek. A rezgőkörbe bevezetett áram energiájának egy része a kondenzátor töltésére és így a rezgés fenntartására szolgál. A rendelkezésre bocsátott és a veszteségi energia egyensúlyának beállta után az LC-körben folyó áram amplitúdója nem változik, így a rezgés csillapítatlanná válik. Ilyen generátort ábrázol az alábbi ábra a) része. A kimenő jel szintje a rezgőkör Q jósági tényezőának függvénye. A jósági tényező alacsony értéke számottevően csökkenti az elektronikus áramkör kimeneti jelét. LC-generátorokat a néhány tíz khz-et meghaladó frekvenciájú rezgések keltésére használjuk. Kisebb frekvenciák esetén a szükséges önindukciós tényező (L) értéke túl nagy, mely a tekercs túlzottan nagy méretét vonná maga után. a) b) +U U D U D Q=10 C 1 C 2 L Q= ω 0 4. ábra: a) LC-generátor a csillapítást kompenzációs erősítővel; b) kimeneti jel szintje különböző Q értékek esetén 9

11 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.3 Alapkonstrukció Működési elv Az induktív szenzor aktív része egy vasmagra tekert, változó mágneses terű tekercs. A mag szerepe nyitott mágneses kör esetén a tekercs mágneses mezejének felerősítése, és annak a mérési terület felé irányítása. A mágneses mező változása mindig elektromos mező keletkezését vonja maga után (örvényáram). Ha a változó mágneses mezőben egy vezető jelenik meg, az elektromos mező erővonalai mentén örvény mágneses mező keletkezik (l. ábra). Ez a mező ellentétes a tekercs mágneses mezejével, és elveszi a rezonancia-kör energiájának egy részét. Ez azt jelenti, hogy a rezonancia-kör veszteségeiben változás lép fel, ami befolyásolja a jósági tényezőt és a rezgés amplitúdója csillapodik. A csillapítás addig lép fel, amíg a vezető tárgy ki van téve a tekercs mágneses mezejének. Ha a tárgyat eltávolítjuk a mezőből, a rezonancia csillapítása megszűnik, és a rezgés amplitúdója visszatér kiindulási értékére. 5. ábra: Fémes tárgy a vasmagos tekercs mágneses mezejében 10

12 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján meghatározza a tárgytól való távolságot, és létrehozza a kimeneti jelet. A kimeneti jel általában kétállapotú: a tárgy a szenzor munkaterületén belül vagy kívül helyezkedik el. Előfordulhat azonban analóg jel is, mely fordítottan arányos a tárgy szenzortól mért távolságával. A szenzor elektromos áramköre az észlelő részen kívül egy hiszterézises komparátort és egy végrehajtó (kimeneti) rendszert is tartalmaz. A hiszterézis segítségével elkerülhető a detektálandó tárgy instabil állapota vagy rezgése esetén esetlegesen előforduló, a feszültségellátás fluktuációjából, vagy a hőmérséklet változásából adódó zavar. A hiszterézis az a távolság különbség, mely esetén a szenzor közeledő és távolodó tárgyak esetén reagál. A szenzor állapota ekkor KI-ről BE-re változik, vagy fordítva (l. ábra). A hiszterézis mértéke a szenzor típusától és méretétől függ, de általában nem haladja meg a mérési tartomány 20%-át. Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátor, mely tipikus tartománya 100 khz és 1 MHz között van. A tekercs átmérőjének növelésével nő a szenzor maximális terhelési áram kapacitása, azonban csökken a működési frekvencia. Az átlagos induktív szenzorok mérési területe nem haladja meg a 60 mm-t. A szenzorok háza eltérő lehet, léteznek hengeres (fém) és prizmás (műanyag) házak, így a szenzor működési helyén optimálisan installálható. 6. ábra: Induktív szenzor hiszterézise 11

13 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az tekercs által létrehozott mágneses tér fluxusa egy adott korlátos területet fed le, mely behatárolja a szenzor működési terültét. A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (S n ) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban, értékét az EN szabvány szerint egy négyzet alakú acéllemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. A valós érzékelési távolságot (S r ) a gyártás során határozzák meg, ez némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges működési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 S n S r 1,1 S n. A szenzor működésének megbízhatósága növelése érdekében az ajánlott működési tartomány tovább csökken: az üzemi érzékelési távolság S a 0,8 S n. Ez a távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a külső hőmérséklet és a hálózati feszültség teljes változási tartománya esetén is hibátlan működés garantálható. A szenzor S n névleges érzékelési távolsága függ a ház D átmérőjétől, pontosabban a tekercs átmérőjétől és a mag tulajdonságaitól. Így tehát kisebb házba beépített szenzorok működési tartománya kisebb, mint a nagyobb méretű szenzoroké. Léteznek azonban speciális szenzor kivitelezési típusok, melyek növelik a működési tartományt Sn [mm] D [mm] 7. ábra: A szenzor átmérője és a névleges működési tartomány kapcsolata 12

14 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Redukciós tényezők A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37-es acélénál, a rezgést kisebb mértékben csillapítják. Ezek a változások a tárgy szenzortól való távolságának megváltoztatásával kompenzálhatók, ez azonban a átmenő sugaras tartomány csökkenéséhez vezet. Ennek következtében, ha a detektált tárgy bronz, az St37 es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével módosítani kell: 0,5 S n. A szenzor tervezése annak érzékenységére is hatással van. Hengeres házban két alaptípus létezik: - Árnyékolt: a rezonáns áramkör tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes frontfelülete a szenzor frontfelülete. - Árnyékolatlan: a tekercs kinyúlik a házból, és egy kiegészítő műanyag sapka árnyékolja. A kinyúló tekercses szenzorok érzékenysége a detektálandó tárgy irányába nagyobb, azonban ezáltal a környező más tárgyakat is jobban érzékelik. 8. ábra: Induktív szenzor különböző anyagokra korrigált érzékelési távolsága 13

15 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Szerelés a) b) Az összeszerelési előírások betartása lehetővé teszi a környezet csillapító hatásából vagy több szenzor egymásra hatásából származó zavarok elkerülését. A szenzor közelében előírt szabad zóna mérete és alakja a érzékelési távolságtól, tervezés módjától és a detektálandó tárgy méretétől függ. A hengeres, fémes köpenyű ház a behelyezhető mag és indukciós tekercs méretét közvetlenül befolyásolja. Ennek következtében szoros összefüggés áll fenn a ház átmérője, és a érzékelési távolság és a szükséges szabad tartomány között, ahol a detektálandón kívül más fémes tárgy nem helyezkedhet el. Az árnyékolt szenzorok működési tartománya nagyobb az árnyékolatlan szenzorokénál, tehát a szükséges szabad zóna is nagyobb. Az árnyékolt hengeres szenzor nem érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, csak a közvetlenül előtte elhelyezett tárgyakat észleli. Ennek eredményeként ezeket a szenzorokat fémes elemek közé is beszerelhetjük. A szenzor frontfelületétől számítva a szabad tartomány 3S n. Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatását elkerülendő a köztük levő távolság legalább az egyik szenzor D átmérőjének kétszerese legyen. Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabad terület oldalirányba is kiterjed, itt sem helyezkedhet el más tárgy. Az interferencia elkerülése végett a két szenzor távolsága itt legalább a D átmérő háromszorosa legyen. 9. ábra: Árnyékolt és árnyékolatlan induktív szenzorok. a) karakterisztika; b) szerelési javaslat 14

16 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Minden szenzor műszaki specifikációja nyújt információt a kimenet maximális átváltási frekvenciáját illetően, mivel ez az adott szenzor jellemzője. A szenzor kimeneti állapotának átváltását jellemzi, ha egy St37-es acélból készült tárgy ciklikusan be- majd kilép az érzékelési távolságból. A frekvencia meghatározása az EN /IEC szabvány alapján történik. Az előírások a detektált tárgy dimenzióit, szenzortól való távolságát és a tárgy hosszának a tárgyak közötti távolság arányát adják meg. St37-es acélból készült standard méretű (oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, vastagsága 1 mm) lemezt egy nem vezető anyagból készült elembe szereljünk. A szenzor távolsága ettől a tárgytól a névleges érzékelési távolság (S n ) fele. Az EN szerinti mérési eljárás a tárgy hosszának és a tárgyak közötti távolság 1:2-es arányán alapszik. Ez az arány garantálja, hogy a környező tárgyak nem okoznak zavart. A kimeneti jel maximális átváltási frekvenciáját az alábbi képlet alapján számítjuk: f = 1/(t1+t2), ahol: t1 t2 a standard lemez hosszának adott távolság megtételéhez szükséges idő a két egymást követő lemez távolságának adott távolság megtételéhez szükséges idő A mérés eredménye mindig függ a tekercset csillapító tárgy méretétől, annak a szenzortól való távolságától és a tárgy sebességétől. A standard lemeznél kisebb tárgy vagy kisebb tárgyak közötti távolság esetén a maximális átváltási frekvencia csökkenése várható. 2D S /2 n D D D U D t 1 t 2 t t ábra: Az EN szabvány előírásai 15

17 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.4 Speciális szenzorok Gyűrű-érzékelő Induktív gyűrű-érzékelők esetén az érzékelési tartomány a szenzor gyűrű alakú házának belsejében található. Az érzékelőt úgy tervezték, hogy a lyukon áthaladó tárgyakat észlelje. Alakjukat figyelembe véve ezek az érzékelők a lyukon áthaladó kis, fémes tárgyak, pl. csapok, szegek, csavarok számlálására alkalmasak. Az ilyen érzékelők háza általában műanyagból készül. Az ilyen érzékelők működése egy nagyfrekvenciás generátoron alapszik, mely a lyukon belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroid nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely jósági tényezőa jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdó-csökkenést egy komparátor ismeri fel, majd egy küszöb érték átlépésekor átvált a kimeneti állapot. Az érzékelő működési tartománya a lyuk átmérőjétől, és az érzékelendő fém méretétől és fajtájától függ. A szenzor aktiválásához a csillapítás egy adott szintje szükséges. Ha a detektálandó tárgyak túl kicsik, elképzelhető, hogy a csillapítás mértéke is túl csekély lesz. Érthető tehát, hogy minden szenzorméret esetén létezik egy minimális hossz vagy átmérő, ami felett a detektálandó tárgy biztos felismerése garantálható. A gyűrű-érzékelő előnye, hogy a detektálandó tárgyak mozgása pályájának nem kell szükségszerűen azonosnak lenniük. A gyűrű kialakítás lehetővé teszi a térbeli orientációtól független érzékelést. a) b) 11. ábra: Induktív gyűrű-érzékelő; a) kialakítás; b) a szenzor mérete és a detektálandó tárgyak minimális mérete közötti kapcsolat 16

18 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Mágneses térre érzéketlen szenzorok A nagy áramokat igénylő hegesztési eljárások erős mágneses mezővel járnak. Az induktív érzékelők ilyen területen való használata a kimenti állapot kontrollálatlan viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatásának következménye. Erős mágneses terek másik negatív hatása a tekercsben egy újabb áram indukciója. Ez az áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. Mindemellett a hegesztési eljárást rengeteg szikra kíséri, mely a ház és az aktív felületet károsítja. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon bronz bevonatúak, első felületük pedig hőálló műanyaggal védett. A hibás működés elkerülése végett ezek az érzékelők különleges elektronikus áramkörrel és kis mágneses permeabilitású maggal rendelkeznek. Az ilyen, speciális szinterelt vasból készült magokat csak a tipikus vasmagokénál sokszorosan sűrűbb mágneses mező szaturál. Tehát az ilyen maggal rendelkező szenzorok sokkal kevésbé érzékenyek a külső interferenciára, mivel saját mágneses terük koncentrált és irányított. A külső mágneses mezőkkel szemben a mag nélküli szenzorok érzékenyek a legkevésbé. Hagyományos érzékelők esetén a mag a külső mágnesességet önmaga köré koncentrálja. Ezzel szemben a mag nélküli berendezések esetén a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve. 12. ábra: Erős mágneses mezőre érzéketlen tekercsek 17

19 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Különleges körülményekre tervezett szenzorok A standard szenzorok nem standard működési körülmények közötti használata működési hibákat vagy akár tartós károsodást is okozhat. Az érzékelők különleges körülményekre való adaptálásához általában a ház különleges anyagból való elkészítése, a méretek növelése, speciális összeszerelési eljárások alkalmazása, és védelmül kialakításával vagy tervezési változtatásokkal az elektromos áramkörök működési körülményeinek biztosítása szükséges. A gyártók a kereslet alapján különböző különleges körülmények között működő szenzorokat kínálnak. Ilyenek például: - a 200 C feletti hőmérsékletet tűrő érzékelők, - kémiailag ellenálló, - olajra érzéketlen, - magas páratartalomra érzéketlen szenzorok, mm fejátmérőjű miniatűr érzékelők, - nagy nyomású környezetben működő szenzorok felépítésének a belső elektronika védelme érdekében robusztusnak és jól tömítettnek kell lennie. A tekercset és a magot a front oldal felől egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. A tekercs védelmére az egy kicsit hátrébb elhelyezkedő tekercs ezáltal a működési tartomány csökkenését okozza. Ennek kiküszöbölésére módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. A megfelelő tömítettséget a szenzor kerámia előlapja és a rozsdamentes acél ház termális összekapcsolásával érjük el: a felmelegített házat ráemeljük a kerámia korongra, így lehűlése után a ház rászorul a korongra, és biztosítja a megfelelő tömítettséget. 18

20 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.5 Mozgás irányának felismerése A transzlációs vagy rotációs mozgás irányának felismeréséhez egy szenzorpár szükséges. Rotációs mozgás esetén a kimeneti jel átváltásáért felelős elem lehet például egy fogas kapcsoló. Az induktív érzékelő jele a fázis-diszkriminátorba (két jel fázisának különbségét felismerő berendezés) kerül. Ha a mozgás balra irányul, az 1-es jel megelőzi a 2-est, ekkor az L (left=bal) kimeneti állapotot állítja be a berendezés. Jobb felé irányuló mozgás esetén a helyzet fordított, ekkor a 2-es jel előzi meg az 1-es jelet, ekkor a rendszer az R (right=jobb) kimeneti állapotot állítja be. Hasonlóan történik a lineáris mozgás irányának meghatározása is, ekkor bistabil gyűrű-érzékelőt alkalmazunk. Ez az érzékelő két, sorba kapcsolt, de különböző generátorok által ellátott tekercset tartalmaz. A szenzor felépítése lehetővé teszi az egyes tekercseken átfolyó áramok megkülönböztetését. Minden adott időpillanatban egyszerre csak egy generátor működhet. Ha egy tárgy balról jobbra érkezik, az első tekercs rezgése csillapul először, majd csak ezután a második. Ellentétes irányú mozgás esetén a helyzet fordított. A tekercseken folyó áramok elemzésével egy mérőrendszer megállapítja a mozgás irányát. U 1 U 2 t t U 1 U 2 t t 13. ábra: Mozgás irányának meghatározása két hagyományos szenzorral és egy bistabil érzékelővel 19

21 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.6 NAMUR szenzorok A NAMUR induktív szenzorok olyan két vezetékes érzékelők, melyek belső ellenállása fémes tárgy érzékelésekor megváltozik: a nincs fémes tárgy helyzethez kicsi, a fémes tárgy detektálva helyzethez pedig nagy ellenállás tartozik. Ezek az érzékelők külső erősítőkkel működnek. A NAMUR induktív érzékelők kimeneti jelei szigorúan definiált tartományban mozoghatnak. AZ EN (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 ma-től 2,1 ma-ig terjed. Minden DC erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, és a szigorúan definiált átváltási hiszterézis 0,2 ma. A NAMUR induktív érzékelők egy részlegesen csillapított tekerccsel rendelkező oszcillátorból és egy demodulátorból állnak. A detektált tárgy és a szenzor távolságának változása a kiadott áram változásává alakul, melyet a külső erősítő kétállapotú jellé alakít. A NAMUR szenzorok robbanásveszélyes környezetben csak szikraálló jelváltó erősítővel használhatók. Lehetséges a szenzor biztonsági előírásoknak nem megfelelő erősítővel való használata is, ám ekkor az erősítőnek a veszélyes tartományon kívül kell elhelyezkednie. A 0,15 ma-t meg nem haladó áramot a külső erősítő nincs jel állapotként értelmezi, a 6 ma-nél nagyobb áramokat pedig rövidzárlatként. 14. ábra: NAMUR érzékelő; a) karakterisztika; b) elektromos áramkör 20

22 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.7 Analóg induktív szenzorok A hagyományos érzékelőkkel ellentétben, melyek csak az érzékelést vagy nem-érzékelést regisztrálják, az analóg kimenetű induktív szenzorok teljes mérési tartományukon belül képesek egy tárgy pozíciójának meghatározására. Egy tárgy távolságának S n -ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 ma-re való változásának felel meg. Az analóg kimeneti jelű szenzorok a közelítésérzékelőkhöz hasonlóan működnek. A rezonancia áramkör által létrehozott változó mágneses mezőt a szenzor érzékelési távolságán belül jelenlévő fémes tárgy csillapítja. A csillapítás a tárgy szenzorhoz való közeledésével erősödik. A speciális oszcillátor-tervezés lehetővé teszi a rezonanciakör csillapítását a távolság változásának, azaz a jósági tényező változásának függvényében. Ezt a rendszer kimeneti jellé alakítja, ami a linearizációs rendszernek köszönhetően csaknem lineáris. Az alábbi ábrán látható diagramok és számértékek egy St37-es acélból készült tárggyal készült mérések eredményei, mivel ezen anyag esetén az érzékelési tartomány maximális. Más mágneses permeabilitású fémek esetén redukciós tényezőket kell használnunk. A jelenleg kapható érzékelők legtöbbje gyakorlatilag a teljes mérési tartományban lineáris karakterisztikával rendelkezik (az ábrán szürkére satírozott terület). 15. ábra: Analóg szenzor induktív kimenettel 21

23 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.8 Egyenáramú készülékek Az egyenáramú érzékelők általában adapterek segítségével működnek, melyek kimeneti feszültsége fluktuál. A feszültség értékének túl nagy fluktuációja az induktív szenzorok váratlan viselkedéséhez vezethet. A hibátlan működés biztosítása érdekében a tápfeszültség változása nem haladhatja meg az átlagérték 10%-át, tehát az alábbi feltételnek kell teljesülnie: U ss 0,1 U D Ezt a tartományt a feszültség értéke nem hagyhatja el, még pillanatnyi feszültségcsúcs U SS formájában sem. Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. A DC tápfeszültségű szenzorok kimenetét egy NPN vagy PNP elrendezés újragenerálja. Ez az NPN konfiguráció esetén azt jelenti, hogy az R L terhelő ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség pozitív pólusa közé, PNP konfiguráció esetén pedig ugyanez az ellenállás a szenzor kimenete és az U tápfeszültség negatív pólusa közé kerül. Mindkét fenti típusú kimenet esetén rendelkezésre áll az NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. A szenzorok egy részének kiegészítő NP kimeneti funkciója is van, két egymástól független kimenettel, azaz NO-val vagy NC-vel. A terhelő ellenállás bekötését ebben az esetben a b) ábra mutatja. a) b) U U ss NPN + R L - U D U ss <= 0.1Uśr t PNP + R L ábra: Induktív szenzorok DC tápfeszültség esetén; a) tápfeszültség; b) az R L terhelő ellenállás bekötése 22

24 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.9 Váltóáramú készülékek A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az R L terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni. Az alábbi ábra tipikus elrendezést mutat be. Két vezetékes AC érzékelő használata az áramkörre vonatkozólag további korlátozásokat jelent. Az oszcillátor mellett a két vezetékes AC érzékelők egy tranzisztorral is rendelkeznek, mely teljesítmény-erősítőként működik. Ezeket az érzékelőket a terheléssel közvetlenül sorba kapcsoljuk. Ennek eredményeként folyamatos az áramszivárgás, még a szenzor kikapcsolt állapotában is. Ez több érzékelő akár soros, akár párhuzamos kapcsolása esetén egy bizonyos feszültség veszteséget eredményez. Az AC szenzorok tápfeszültségének kiválasztásakor a gyártó által specifikált maximális és minimális terhelési áramot se alul, se túl nem szabad lépni! HIBÁS HELYES R L 17. ábra: Váltóáramú érzékelők 23

25 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.10 Érzékelők összekapcsolása Több szenzor soros vagy párhuzamos kapcsolása a berendezés különleges alkalmazásait teszi lehetővé. A szenzorok megfelelő kapcsolása esetén ÉS, VAGY és/vagy NOR logikai kapcsolatok is létrehozhatók. Az ÉS logikai funkció garantálja, hogy több összekapcsolt szenzor esetén a kimeneten csak akkor jelenik meg jel, ha minden egyes érzékelő állapota KI-ről BE-re váltott. A NOR funkció megszakítja az R i ellenállást ellátó áramkört, mely csak akkor működik, ha minden szenzor állapota BE-ről KI-re változott. Ezeken kívül azonban további logikai kapcsolások is létrehozhatók. A sorba kapcsolt szenzorok maximális száma a tápfeszültség nagyságától, az érzékelők kimenetén lévő feszültségeséstől és a kapcsolódó terhelés paramétereitől függ. A szenzorok kimenetén lévő feszültségeséssel csökkentett tápfeszültség értékének mindig meg kell haladnia a kapcsolódó terhelés minimális működési feszültségét. DC DC/AC (+) +/- N - + (+) - + R L (+) - R L 18. ábra: Érzékelők csoportjának soros kapcsolása (ÉS logikai kapcsolás) 24

26 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A VAGY kapcsolás esetén akkor keletkezik kimeneti jel, ha az érzékelők közül egynek megváltozott a kimeneti állapota. Ezt a funkciót párhuzamos kapcsolással hozhatjuk létre. Párhuzamosan kapcsolt három vezetékes DC szenzorok esetén nincsenek lényeges korlátozások. A kimenettől függetlenül párhuzamosan akár egy tucat érzékelő is összekapcsolható. Két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása esetén a szenzorok szivárgó áramai összeadódnak, mely hátrányosan befolyásolhatja a működést. Ezért a két vezetékes érzékelők párhuzamos kapcsolása nem ajánlott, bár nem is tiltott. Az így kapcsolt szenzorok maximális száma a terhelés típusától, és az érzékelők kimeneti áramkörein folyó szivárgási áramoktól függ. DC DC AC - - R L + R L + R L ábra: Érzékelők csoportjának párhuzamos kapcsolása (VAGY logikai kapcsolás) 25

27 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.11 Biztonság és védelem Az érzékelők egyik legfontosabb tulajdonsága az installáció során fellépő esetleges hibák kiküszöbölésének lehetősége. Ez elektromos védő elemek segítségével biztosítható, melyek a szenzor belső áramköreit védik. A legtöbb állandó áramú érzékelő esetén a kimenetek az alábbi negatív következményekkel járó események ellen védettek: - a tápfeszültségre történő téves irányú csatlakoztatás - a kikapcsolást követő túlfeszültség a kimeneten - rövid és nem-ciklikus impulzusok a tápvezetéken keresztül - túlzott kimeneti áram és rövidzárlat Az egyenáramú szenzorok elektromos áramköreinek rövidzárlata magát a szenzort nem károsítja, még ismételt és tartós esetben sem, mivel a rövidzárlat alatt a szenzor diódái kikapcsolt állapotban vannak. A rövidzár kiküszöbölése után az érzékelő hibátlanul működik. Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Ha egy közelítéskapcsoló KI állapotban van, az áramkörben szivárgási áram jelenik meg, mely az érzékelő hibás működését eredményezheti. Ennek elkerülése végett egy további R p ellenállást kapcsolunk párhuzamosan magával a terheléssel. Ez az ellenállás felveszi a szivárgási áramot, mivel értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram. Az R p ellenállás és ennek P teljesítménye az alábbiak alapján számítható: R p = U / I min P = U 2 / R p 20. ábra: Szivárgási áram egy AC induktív érzékelőt tartalmazó áramkörben 26

28 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.12 Busz kapcsolat Az érzékelők és vezérlőelemek kapcsolatát manapság modern kommunikációs hálózatok segítségével biztosítjuk. Ez a megoldás a régi, nagy kábeligényű megoldást váltotta fel. A hálózati megoldások lényege, hogy a jeleket egy köztes berendezés érzékeli, majd egy buszon keresztül továbbítja őket a fő egységnek (l. alábbi ábra). Ez lehetővé teszi - a költségek jelentős csökkentését - a szenzor és a meghajtó közötti távolság növelését - a szenzor kalibrációjával és karakterisztikájával kapcsolatos adatok átvitelét A legnépszerűbb megoldás ma a nyitott hálózat (open network), mely szabványokon alapulva különböző gyártók termékei közötti kapcsolatot is lehetővé tesz. A leggyakrabban használt kommunikációs protokollok: Ethernet, Profibus, DeviceNet, Modbus, CAN, AS-I. A hálózatok segítségével elosztott vezérlő rendszereket hozhatunk létre, melyek lehetővé teszik a jelfeldolgozás egy részének alacsonyabb szintjeire, azaz a folyamathoz közelebb kerülését. Az alapvető hálózati berendezések bemeneti és kimeneti (input/output, azaz I/O) modulok, melyek az adott típusú hálózathoz illő interfészt tartalmaznak. A modult egy adott hálózati címen egy fő egység észleli, mely lehetővé teszi az adatok nagy sebességű továbbítását. Ez különösen fontos az érzékelők esetén, hiszen itt a jeleket gyakran bonyolult eljárásokkal kell feldolgozni, azonban a döntéshozatalra rövid idő áll csak rendelkezésre. 21. ábra: Profibus hálózatos és anélküli kommunikációs rendszer egyszerűsített szerkezete 27

29 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 1.13 Alkalmazások 22. ábra: Fúrófej törésének, és gyártószalagon haladó tárgyak észlelése 23. ábra: Drót folytonosságának ellenőrzése 28

30 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2 Kapacitív érzékelők 2.1 Bevezetés A kapacitív érzékelők elektromos mező segítségével működési tartományukon belül elhelyezkedő tárgyak észlelésére alkalmasak. Az induktív érzékelőkkel ellentétben nem-fémes tárgyakat, például műanyagot is észlelnek. A kapacitív szenzor nem-vezető réteg mögött elhelyezkedő tárgyak detektálására is alkalmas, így gyakran alkalmazzák tartály falán keresztül folyadékok vagy pelletek észlelésére. A kapacitív érzékelőket általában közelítésérzékelőként használjuk, de a tárgy szenzortól mért távolságával arányos jel létrehozására is alkalmasak. Az ilyen érzékelők észlelési távolsága igen kicsi, kb. 30 mm, de léteznek speciális berendezések is, melyeknél ez 60 mm is lehet. Ha egy fémes tárgy vagy dielektrikum megjelenik a szenzor észlelőfelületének közelében, az a kimeneti állapotának KI/BE vagy BE/KI váltásával reagál. A kapacitív érzékelő a következő alkotóelemekből áll: fej elektródával, potenciométer (P), oszcillátor, detektáló áramkör, kimeneti áramkör (l. alábbi ábra). A kapacitív szenzor aktív komponense két fém elektróda, mely nyitott kondenzátort alkot. Ha egy tárgy közelít ehhez a kondenzátorhoz, annak megváltozik a kapacitása. A kondenzátor teljes kapacitása, mely meghatározza a kimeneti jel szintjét, a szenzor alap kapacitás és a detektált tárgy által okozott kapacitásváltozás összege. 24. ábra: Kapacitív szenzor blokk vázlata 29

31 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.2 Fizikai alapok A kapacitív szenzor alap modellje két elektródával (A és B) rendelkezik, melyek egymással szemben helyezkednek el. Az elektródák egy síkban való elhelyezése által nyitott kondenzátort kapunk. A C indirekt elektróda (vastagsága 0) A és B elektróda közé helyezésével két sorba kapcsolt kondenzátort kapunk. Hasonló hatás érhető el nyitott kondenzátor esetén is, ahol az elektromos mezőt egy indirekt elektróda két ellentétes irányultságú mezőre osztja. A két kondenzátor kapacitása megegyezik, és az alábbi képlet alapján számítható: ε 0 C S r ε = d ahol C S ε 0 ε r d kondenzátor kapacitása az elektródák felülete dielektromos állandó (vákuum vagy levegő) a kondenzátort kitöltő anyag dielektromos állandója elektródák közötti távolság a) b) U B U/2 0 ε 0 C A d/2 U/2 ε 0 ε 0 ε 0 d/2 0 U A C B d/2 25. ábra: Elektródák elhelyezkedése a kondenzátorban; a) kondenzátor, ahol az A és B elektródák egymással szemben helyezkednek el; b) nyitott kondenzátor, ahol az A és B elektródák egy síkban helyezkednek el 30

32 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A nyitott kondenzátor elektrosztatikus mezejébe helyezett vezető önmaga válik a C indirekt elektródává. Egy ilyen rendszer kapacitása mindig nagyobb, mint az indirekt elektróda nélküli rendszeré. Ha a nyitott kondenzátor elektromos mezejébe nem-vezető (szigetelő) anyagot helyezünk, a kapacitás a szigetelő dielektromos állandójával arányosan nő. Ennek oka, hogy a kezdeti nyitott kondenzátor kapacitása a levegő permittivitásától függ, és a folyadékok és szilárd anyagok dielektromos állandója mindig nagyobb a levegő (ε levegő = 1) dielektromos állandójánál. 26. ábra: Nyitott kondenzátor elektromos mezeje vezető és szigetelő anyagok esetén 31

33 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.3 Alapkonstrukció A szimmetrikus elektromos mező létrehozásához a külső B elektródának a hengeres A elektródával koncentrikusnak kell lennie (l. ábra). A detektálandó tárgy mint C köztes elektróda működik, és aktiválja a szenzort. A B gyűrű külső átmérője az érzékelő aktív síkja. Az ilyen szenzorok kapacitása a detektálandó tárgy távolodásával hiperbolikusan csökken. 27. ábra: Elektromos mezők a kapacitív szenzor fejben 32

34 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az érzékelő kapacitív szerkezete mindig a detektálandó tárgy anyagi minőségétől és a földeléstől függ. A nem-vezető tárgyak, azaz például a papír vagy üveg a dielektromos állandó növelésével csak a szenzor saját kapacitását növelik. Ez a növekedés azonban kicsi, mivel a dielektromos állandó növekedése csekély, tehát az érzékelési távolság is kicsi. Földeletlen vezető tárgyak esetén további két sorba kapcsolt kondenzátor alakul ki, az egyik a tárgy és a szenzor elektródája, a másik a tárgy és a külső elektróda között. Ebben az esetben a szenzor érzékelési távolsága nagyobb. A legnagyobb érzékelési távolságot úgy érhetjük el, ha a detektálandó tárgy földelt vezető. Ekkor a tárgy és a szenzor közötti, további kapacitás az érzékelő saját kapacitásával párhuzamos kapcsolást alkot. 28. ábra: A szenzor kapacitív szerkezete; a) szigetelő esetén; b) földeletlen vezető esetén; c) földelt vezető esetén 33

35 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az A és B elektródákat egy magas frekvenciájú oszcillátor kapcsolja össze. Az oszcillátor csak akkor lép működésbe, ha tárgy kerül az érzékelési tartományba, ui. az A és B elektródák közötti kapacitás növekedése aktiválja. Az oszcillátor rezgési amplitúdóját egy átmenő sugaras áramkör analizálja, mely a kapcsolási áramkör felé jelet generál. Az oszcillátor és az elektróda közötti visszacsatoló áramkörben egy potenciométer található, mely az oszcillátor áramkörének aktiválási szintjét állítja be. A névleges érzékelési távolság S n az a távolság, melyen a kimeneti áramkör átkapcsol. Ez a távolság egy földelt, 1 mm vastagságú, négyzetes keresztmetszetű, Fe360 acél tárgyra vonatkozik, melynek oldalának hossza megegyezik a szenzor érzékelési felületének átmérőjével, vagy 3*S n -nel, attól függően, melyik érték a nagyobb. 29. ábra: Kapacitív szenzor érzékelési tartományának definíciója 34

36 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.4 Szenzor típusok A kapacitív szenzorok általában mint hengeres vagy kocka alakú közelítésérzékelők léteznek, melyek aktív oldala az egyik lapos felület. A hengeres érzékelők két típusa használatos. Az egyik típus árnyékolt, tehát a működési tartomány a szenzor előlapjánál kezdődik. Az ilyen típusok fémbe vagy más anyagba süllyesztve szerelhetők. A másik típus esetén a szenzor kiáll a házból. Ezek az érzékelők különösen jól használhatók, amikor az észlelendő anyag közvetlenül érintkezik az aktív felülettel (pl. ömlesztett anyagok vagy folyadékok szintjének figyelése). Ekkor az érzékelési tartomány 50%-al nagyobb. Léteznek speciális készülékek is, melyeket vízszintes vagy görbült felületek esetén használhatunk. 30. ábra: Tipikus kapacitív szenzorok 35

37 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Több kapacitív szenzor felszerelése esetén a szenzorok egymásra hatása és külső elemekkel való interferenciája elkerülése érdekében vegyük figyelembe az alábbi ábrán látható szabályokat. A vezetékek és a kimeneti áramkör hasonlít az induktív szenzorok megfelelő megoldásaihoz, így két, három és négy vezetékes szenzorok is lehetségesek. Egyen- vagy váltóáramú tápellátás is lehetséges. a) b) 31. ábra: a) süllyesztett és b) nem süllyesztett szenzorok felszerelése 36

38 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.5 Detektálandó tárgy anyagi minőségének hatása A kapacitív szenzorok kapcsolási távolsága széles tartományban változik. A legnagyobb távolságot vezető anyagok esetén érjük el, és mint azt korábban már említettük, az a földeléstől is függ. Vezető tárgyaknál az anyagi minőség nem befolyásolja az érzékelési távolságot. Szigetelők esetén azonban a kapcsolási távolság a dielektromos állandó függvénye, azaz minél nagyobb a dielektromos állandó, annál nagyobb a kapcsolási távolság. A kapacitív érzékelők működési tartománya a detektálandó tárgy dielektromos állandójával csökken (l. alábbi ábra). A következő táblázat a különböző szigetelők dielektromos állandóját tartalmazza. A szerves anyagok, azaz a fa, különböző magvak, stb. detektálásának távolsága nagyban függ azok víztartalmától. Ez a víz nagyon magas dielektromos állandójára (ε víz = 80) vezethető vissza. 32. ábra: Kapacitív szenzor kapcsolási tartománya a szigetelő dielektromos állandójának függvényében 37

39 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Anyag Alkohol 25,8 Bakelit 3,6 Benzin 2,2 Cellulóz 3 Fa Puha gumi 2,5 Szilikon gumi 2,8 Vulkanizált gumi 4 Márvány 8 Csillámpala (mica) 6 Transzformátor olaj 2,2 Papír 2,3 Keménypapír 4,5 Paraffin 2,2 Plexi 3,2 Poliamid 5 Polyethylene 2,3 Polypropylene 2,3 Polystyrene 3 Porcelán 4,4 Üveg 5 Teflon 2 Levegő, vákuum 1 Víz táblázat: Különböző szigetelők dielektromos állandója (ε r ) A katalógusban található névleges érzékelési távolság (S n ) szabványos fémes tárgy esetén érvényes. A szenzor valós érzékelési tartományának (S r ) meghatározásához a nominális értéket az adott anyagra vonatkozó redukciós tényezővel kell megszorozni. ε r Valós érzékelési tartományának (S r ) = S n redukciós tényező Az alábbi táblázat néhány redukciós tényező értékét tartalmazza: Anyag Redukciós tényező Acél 1 Víz 1 Fa 0,7 Üveg 0,6 Olaj 0,4 PVC 0,4 PE 0,37 Kerámia 0,3 2. táblázat: Különböző anyagokra vonatkozó redukciós tényezők 38

40 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.6 Interferencia kompenzáció A átmenő sugaras áramkör tartalmaz interferenciaszűrőket, melyek a külső ám nem túl nagy elektromos mező hatását eliminálják. A szűrők azonban szignifikánsak lecsökkenthetik a maximális kapcsolási frekvenciát, és így negatívan befolyásolhatják a szenzor dinamikus karakterisztikáját. A szenzor elszennyeződése, a levegő nedvességtartalmának változása vagy az aktív felületen harmatcseppek megjelenése helytelen működést eredményezhet. Ha a zavaró mező homogén, egy további kompenzációs elektródát kapcsolunk az oszcillátor kimenetére, így lehetséges az érzékelési távolság állandó értéken tartása. A szennyeződések a szenzor elektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák, ugyanakkor a szenzor elektróda és a kompenzációs elektróda közötti kapacitás kompenzációs csatolást hoz létre. Azonban egy vékony tárgy (pl. papírlap) és a szenzor érintkezésekor fennáll annak a veszélye, hogy a zavaró jel semlegesíti a fő elektróda jelértékét, és az érzékelő nem kapcsol át. 33. ábra: Szenzor kiegészítő kompenzációs elektródával 39

41 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 2.7 Alkalmazások Karakterisztikájuk és egyszerű felépítésüknek köszönhetően a kapacitív szenzorokat számos területen alkalmazzák. Ilyen például: - tartály folyadékszintjének figyelése, - granulátum szintjének ellenőrzése, - vezető és szigetelő tárgyak számlálása, - üres terek felismerése a csomagoláson keresztül, - károsodás felismerése 34. ábra: Részlegesen telt tartály felismerése és elutasítása 35. ábra: Üveg vagy fém tartályok számlálása 40

42 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 36. ábra: Tartály folyadékszintjének figyelése, cső telítettségi állapotának meghatározása 37. ábra: Üres konténer felismerése a gyártósoron 41

43 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Bevezetés Az ultrahangos érzékelőket az anyag minőségétől és színétől függetlenül, átlátszó és átlátszatlan folyadékok szintjének meghatározására használjál. Elsősorban nagy portartalmú, magas szennyezettségű helyeken alkalmazzuk őket, mivel itt optikai érzékelők nem használhatók. Az érzékelők egy ultrahang-váltóval működnek, mely ultrahang sugarat bocsát ki, majd méri az emittált és a sugár útjában elhelyezkedő tárgyról visszavert sugár érkezése között eltelt időt. Ez az idő arányos a szenzor és a tárgy közötti távolsággal. Az ilyen szenzorok átváltási frekvenciája, működési elvük miatt más szenzorokhoz képest alacsony (néhány Hz-től kb. 100 Hz-ig). Az ultrahangos szenzorok akusztikus hullámokat hoznak létre, melyek frekvenciája (>20 khz) kívül esik a hallható frekvenciákon. Az érzékelők magas működési frekvenciájuk miatt gyakorlatilag érzéketlenek a külső hangokból adódó interferenciával szemben. Az ilyen érzékelők az alábbi fő komponensekből épülnek fel: nagy feszültségű generátor, a szenzor fejében elhelyezkedő piezoelektromos konverter, jelfeldolgozó rendszer, kimeneti rendszer (l. alábbi ábra). 38. ábra: Ultrahangos érzékelő blokk vázlata 42

44 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.2 Fizikai alapok Hanghullámok terjedése levegőben A hanghullámok különböző közegekben (gázok, folyadékok, szilárd anyagok) az adott közeg részecskéinek kölcsönös reakciói folytán terjednek. A levegőben ezek longitudinális hullámok, melyek terjedése a szomszédos, vibrációs állapotba gerjesztett molekulák ütközése folytán lehetséges. Ennek következtében a hanghullám terjedése a vibráló részecskék transzlációs mozgása nélkül lehetséges. A hanghullám λ hullámhossza az a távolság, amit a hullám egy periódus alatt megtesz. Az f vibrációs frekvencia a másodpercenkénti periódusok száma, mértékegysége a Hertz (Hz). A hang V terjedési sebessége a közeg fizikai tulajdonságaitól (sűrűség, mechanikus rugalmasság) függ. A hang sebességének alapvető képlete: V = λ f, Ahol: f λ hang frekvenciája [Hz] hang hullámhossza [m] Y λ X 39. ábra: Hanghullám 43

45 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az ultrahangos érzékelők 23 és 400 khz közötti frekvencián működnek. 40. ábra: Hanghullámok frekvencia tartománya 44

46 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A hanghullámok terjedését a fényhullámok terjedésére is érvényes fizikai törvények határozzák meg. A hullámok valamely akadályról részlegesen vagy teljesen visszaverődhetnek. A hang levegőbeli sebességét ismerve, a visszaverődő hullám (visszhang) visszatérési idejéből meghatározhatjuk a szenzor és a tárgy távolságát: S = V t / 2, Ahol V t S hang terjedésének sebessége levegőben (343 m/s T = 20 C hőmérsékleten) a hullám kibocsátásától annak visszatéréséig eltelt idő [s] a szenzor és a tárgy távolsága [m] A sebesség és idő szorzatát el kell osztanunk kettővel, mivel a hullám a tárgy-szenzor távolságot kétszer (oda és vissza) teszi meg. 41. ábra: Tárgytól való távolság (S= tárgy-szenzor távolság, S1= hanghullám szenzortól a tárgyig való távolsága, S2= a visszavert hanghullám tárgytól a szenzorig való távolsága) 45

47 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Környezeti hatások A hang terjedésének távolsága, eloszlása és sebessége részben a környezettől is függ. A közeg (levegő) fizikai tulajdonságainak véletlenszerű változásai befolyásolhatják a távolságmérés pontosságát. Ilyen környezeti változások lehetnek az alábbiak: Hőmérséklet: a levegő hőmérsékletének változása megváltoztatja a hanghullám sebességét. A változás mértéke hozzávetőlegesen 17%/ K. A legtöbb érzékelő belső hőmérséklet kiegyenlítővel van ellátva, mely a hőmérséklet ingadozás hatását nagymértékben (kb. 2/3 részben) eliminálja. Nyomás: Az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezi. Páratartalom: A levegő páratartalmának növekedése a hang sebességének 2%-os változását eredményezi (száraz levegőhöz képest). Légáramlatok: A légáramlatok hatása azok irányától és intenzitásától függ. Erős, 50 km/h-t meghaladó, a hang terjedésének irányában fújó szél számottevően befolyásolhatja a hang sebességét. A terjedés irányára merőleges szél a hanghullámokat el is térítheti. Szennyeződés: A levegő nagymértékű szennyezettsége az ultrahang-emitter felületének elszennyeződéséhez vezet, ami az emittált hullám tartományát akár 30%-al is csökkentheti. 42. ábra: A levegő hőmérsékletének hatása a hanghullám sebességére 46

48 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Ultrahang hullám átalakítók Az ultrahang-hullámokat jelátalakítók hozzák létre, melyek manapság leggyakrabban piezoelektromos elven működnek. A piezoelektromos hatás speciális kristályok esetén jön létre, melyekben nyomás/feszültség hatására elektromos töltések keletkeznek. Piezoelektromos kristályok például a kvarc, vagy a lítiumszulfát. Speciális viselkedésük oka az elemi cellák kristályrácsban való spirális elhelyezkedése. Az effektus reverzibilis, tehát elektromos feszültéség hatására a kristály eldeformálódik. Az effektus két fajtása létezik: - közvetlen piezoelektromos hatás, mely során a mechanikai hatások (pl. nyomás) elektromos jelekké alakulnak, - fordított piezoelektromos hatás, mely során az elektromos jel mozgássá, vagy mechanikai rezgéssé alakul. a) b) 43. ábra: Piezoelektromos hatás; a) közvetlen; b) fordított 47

49 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az átalakító l, a keltett hullám amplitúdójával megegyező deformációja arányos az U feszültséggel. Az arányossági tényező a d piezoelektromos állandó (d kvarc =2,3*10-12 [m/v]). l = d u [m] A ferromágneses anyagok csoportjába tartozó kerámiák szintén rendelkeznek piezoelektromos tulajdonságokkal. A ferromágnesség egyik alapvető tulajdonsága, hogy a dipólusokat permanens módon átrendezik, azaz a változás az elektromos mező eltávolítása után is fennmarad. Ez a tulajdonság a kerámiák speciális szerkezetéből adódik. Erős elektromos mező hatására a véletlenszerűen orientált elektromos dipólusok az átalakító felületével 45 -os szögbe rendeződnek, mégpedig permanensen. A lap felületére feszültséget kapcsolva, a dipólusok az ellentétes pólusok elve alapján elfordulnak, azaz a hasonló (+ és +, vagy és -) taszítják, az ellentétesek (+ és -) pedig vonzzák egymást. A dipólusok mozgása az átalakító vastagságának l növekedését vagy csökkenését a feszültség előjelétől függően okozza. 44. ábra: Piezoelektromos szenzor deformációjának vázlata; a) átalakító véletlenszerűen orientált dipólusokkal; b) átalakító az elektromos dipólusok permanens átrendezése után; c), d) átalakító deformációja feszültség következtében 48

50 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A piezoelektromos elemek, különösen a kerámiák a legkülönbözőbb alakokat vehetik fel (l. alábbi ábra). A piezoelektromos anyagok dielektrikumok. Feszültség rákapcsolásakor az átalakító szemben elhelyezkedő felületei fémes, néhány mikrométer vastagságú ezüst bevonattal vannak ellátva. A piezoelektromos tulajdonságok magas hőmérsékleten megszűnnek. Kvarc átalakító maximális működési hőmérséklete 200 C, a kerámia jelátalakítóé 100 C. Az elektromos energia mechanikai energiává alakításának hatásfoka kerámia átalakító esetén többször nagyobb, mint kvarc átalakító esetén. 45. ábra: Piezoelektromos elemek jellemző formái 49

51 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Hanghullám létrehozása Ha az átalakító kapcsolatban áll az anyaggal vagy valamely közeggel (pl. levegővel), a feszültségváltozások okozta vibrációt átadja a közeg részecskéinek, ahol hullám keletkezik. Fordított esetben, ha a közeg részecskéi rezgést adnak át az átalakítónak, a felület mechanikai deformációja következtében elektromos töltések keletkeznek. Ugyanazt az átalakítót tehát jelek létrehozására és fogadására is használhatjuk. 46. ábra: Ultrahang emitter és vevő 50

52 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az ultrahang-hullám terjedése során szóródik (l. ábra). A legnagyobb hangenergia a szenzor tengelye köré koncentrálódik. Ha feltételezzük, hogy a hang energiája a szürke területen a hibátlan működéshez már nem szükséges, a méréshez felhasznált sugár alakja hasonlít egy α nyílásszögű kúpra. Az α szög határozza meg azt a területet, ahol az ultrahang-hullám energiája még nem esik a tengely körüli energia 50%-a alá. Az ultrahang-hullám átmérőjét a szenzor frontfelületétől X távolság az alábbi képlet alapján számíthatjuk ki: D = 2 X tan(α/2), Ahol: X α a tárgy szenzortól mért távolsága az ultrahang sugár nyílásszöge a) b) 47. ábra: Szenzor által kibocsátott ultrahang-hullám sematikus ábrája: a) keresztmetszet a szenzor hossztengelye mentén; b) a sugár azon része, mely megfelel a szenzor követelményeinek 51

53 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az igényektől függően különböző szenzorokat gyártanak, melyek nyílásszöge eltér. A szög néhány foktól néhány tíz fokig változhat. A sugár alakját és szögét a szenzor rezgő felülete határozza meg, így nagyon különböző sugarakat létrehozó szenzorokkal találkozhatunk. 48. ábra: Szenzorkarakterisztikák, példák 52

54 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szenzor érzékenysége a detektálandó tárgy távolságának növekedésével változik. Ezen változást kvalitatívan az alábbi ábra mutatja. Az érzékenységtől függően megtalálhatjuk azt az optimális távolságot, ahol a céltárgy észlelése a legvalószínűbb. 49. ábra: Érzékenység a szenzortól való távolság függvényében 53

55 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.3 Az ultrahangos érzékelők működésének elve Az ultrahangos érzékelők általában két üzemmód valamelyikében működnek: diffúz (diffúz sugaras szenzor) vagy átmenő sugaras (átmenő sugaras szenzor) üzemmódban, azonban az elsőt szívesebben használják. A céltárgyról visszavert ultrahang-sugár visszhang formájában visszatér a szenzorhoz. A kimenet típusától függően a detektor a visszatérési időből meghatározott távolságot analóg áram vagy feszültség jellé, illetve kétállású jelek esetén BE/KI jellé alakítja át. Amint a céltárgy elhagyja az érzékelési tartományt, a kimeneti rendszer visszatér eredeti állapotába. Az ultrahangos mérések tehát két szakaszból állnak (l. ábra): - az átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé, - a céltárgy ultrahang-sugarat küld az átalakító irányába, amikoris ez a sugár az eredeti jel visszhangja. Diffúz sugaras szenzorok esetén a két feladatot ugyanaz a piezoelektromos átalakító látja el. 50. ábra: Az ultrahangos mérés két szakasza: a) átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé; b) a céltárgy visszaveri ezt a sugarat 54

56 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szenzor érzékenysége a detektálandó tárgy sűrűségének növekedésével nő. Minél nagyobb ugyanis a tárgy sűrűsége, a hanghullám annál nagyobb részét veri vissza. Ez az oka annak, hogy az ultrahangos érzékelők kiválóan alkalmasak a nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkező tárgyak észlelésére. Nagy akusztikus visszaverési tényezővel rendelkeznek általában a szilárd és folyékony, valamint a szemcsés anyagok is. A diffúz sugaras szenzorok periodikus hang impulzusokat hoznak létre. Az impulzus kibocsátása és a visszaérkező hullám észlelése között eltelt idő arányos a tárgy és a szenzor távolságával. Kétfunkciós átalakítóval, azaz jel generátorral és vevővel is rendelkező szenzorok esetén az impulzus T i hosszának lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a visszhang megérkezéséhez szükséges T e idő. Az impulzusok néhány tíz Hz-es frekvenciával ismétlődnek. A szenzor az impulzus kiküldését követően azonnal készültségbe áll a visszatérő hullám fogadására, és a következő impulzus küldéséig ebben az állapotban is marad. A visszhang megérkezésének T e idejét mérve a céltárgy távolsága kiszámítható. Átmenő sugaras szenzorok esetén a visszhang észlelése az érzékelési tartományon belül elhelyezkedő céltárgy észlelését jelenti, így a kimeneti állapot megváltozását okozza. 51. ábra: Ultrahangos érzékelő működési ciklusa 55

57 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Diffúz sugaras működés Ultrahangos diffúz sugaras szenzorok speciális, elektronikusan vezérelt átalakítókat használnak, melyek a hanghullámimpulzust létrehozzák, valamint fogadják is. Az átalakító néhány mikroszekundomtól 1 milliszekundumig tartó időintervallum alatt impulzusok sorozatát bocsátja ki, majd vár azok a detektált tárgyról való visszavert hullámainak visszatérésére. Ha a kúpos ultrahangsugáron belül reflektáló felület található, a KI kimeneti állapot BE állapotra vált. a) b) 52. ábra: Diffúz sugaras szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után 56

58 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szenzor maximális érzékelési távolságát megfelelő potenciométer segítségével korlátozni lehet, így az adott távolságon kívül elhelyezkedő tárgyakat nem észleljük (l. alábbi ábra). Ezáltal a háttér kitakarása megoldható. Néhány szenzortípus esetén az érzékelési távolság alsó határa is beállítható, azaz létrehozható egy kizárt tartomány is. Ekkor az aktív tartomány pontosan meghatározható. A szenzor frontfelületének közvetlen közelében egy holt tér található, itt nem észlelhetünk tárgyakat, illetve az észlelés kétséges. A holt tér mérete a szenzor méretétől és érzékelési távolságától függ. Rövid, korlátozott érzékelési tartományú szenzorok holt tere kisebb, mint a nagyobb szenzorok hol tere. A holt tér az átalakító kettős funkciójának, azaz az adó és vevő működésnek a következménye, ui. az átalakító a visszhang fogadására csak a hang impulzus kibocsátása után áll készen. 53. ábra: Az észlelési tartomány meghatározása a működési tartomány alsó és felső határának meghatározásával 57

59 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az alkalmazástól függően a szenzorok ultrahang sugarának nyílásszöge 3 és néhány tíz fok között változik. A nyílásszöget úgy kell megválasztani, hogy a kúp lefedje a detektált célterületet, az azon kívül eső tárgyakat pedig figyelmen kívül hagyjuk. A szabványos kalibráló céltárgy egy 1 mm vastagságú fém lap. Ezt használjuk az S n érzékelési távolság ellenőrzésekor. A lapot a hanghullám tengelyével merőlegesen helyezzük el. Mérete a szenzor érzékelési tartományától függ. Rövid hatótávolságú (300 mm-ig) érzékelők esetén 100 mm-es négyzet alakú lapot használunk. Ettől eltérő méretű, alakú és fizikai tulajdonságokkal rendelkező céltárgy esetén a katalógusban feltüntetett S n érzékelési távolság nem garantálható. Általánosan az alábbi szabályok érvényesek: - minél alacsonyabb a szenzor frekvenciája, annál nagyobb az érzékelési távolság - minél nagyobb a működési frekvencia, annál szenzor kevésbé érzékeny a háttérzajokra 58

60 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Átmenő sugaras üzemmód Átmenő sugaras szenzorok esetén az ultrahangos átalakító egy hanghullámot indít egy önálló házban elhelyezkedő vevő egység irányába. A hanghullám útjában álló tárgy megtöri a hullámot, erre a szenzor kimeneti állapota átvált. Átmenő sugaras szenzorok esetén, a diffúz és reflexiós szenzorokkal ellentétben az átalakító folytonos jelet állít elő, így tehát nincs holt tér. a) b) 54. ábra: Átmenő sugaras szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után 59

61 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az ilyen szenzorokat nem csak a hangot visszaverő, hanem az azt elnyelő vagy disszipáló, porózus anyagok észlelésére alkalmazzák, de használhatjuk őket a diffúz sugaras szenzorok által nehezen észlelhető alakú tárgyak detektálására is. A hanghullámokat jól visszaverő, de a szenzor tengelyéhez képest az alábbi ábrához hasonlóan elhelyezkedő tárgyak megszakítják a hanghullámok útját, így a átmenő sugaras szenzorok által jól észlelhetők. Ugyanez egy diffúz sugaras szenzorral nem lehetséges, a visszavert sugár iránya túlzottan eltér a szenzor tengelyének irányától. A kimeneti állapot átkapcsolási frekvenciája nagyobb, mint a diffúz sugaras szenzoroké, elérheti a 200 Hz-et is. 55. ábra: Példa: diffúz sugaras szenzorral nehezen detektálható alakú tárgy 60

62 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.4 Lehetséges hibák Fizikai eredetű hibák Az érzékelő működését az alábbi faktorok befolyásolhatják: - Légáramlatok, melyek annyira megváltoztathatják az akusztikus hullám sebességét és/vagy irányát, hogy az észlelés lehetetlenné, vagy megbízhatatlanná válik. - Légnyomásváltozás: ekkor az atmoszférikus nyomás ±5%-os változása a hang sebességének ±6%-os változását eredményezheti. - Hőmérsékletemelkedés a szenzor működési tartományában nagy mennyiségű hőt sugárzó tárgy következtében: ez különböző hőmérsékleti zónák kialakulását eredményezheti, melyek megváltoztatják a hullám terjedésének idejét, és ezáltal csökkentik a szenzor pontosságát. A hőmérséklet és a páratartalom emelkedése esetén a detektált távolság gyakran kisebb a valós távolságnál. Forró felületek kevésbé hatékonyan verik vissza az irányított hanghullámokat, mint a hideg felületek. A levegő hőmérséklete és páratartalma hatással van a hang impulzus időtartamára. A hőmérséklet 20 C-al való emelkedése a szenzor érzékelési tartományának néhány százalékos (3,5-8%) növekedéséhez vezet, így a mért távolság alulbecsli a valós távolságot Szerelésből adódó hibák - Hangszigetelők. Ha a hangot elnyeli valamely anyag (vatta, textil, gumi, stb.), a szenzor érzékenysége csökken. Diffúz sugaras érzékelők esetén az érzékenység annyira lecsökkenthet, hogy lehetetlenné válik a céltárgy észlelése. Az ultrahangos érzékelők különösen a kemény, sima, a szenzor tengelyére merőleges felülettel rendelkező tárgyak detektálására alkalmasak. Bármely, a fenti követelményektől való eltérés hibás működést eredményezhet. Azaz: A detektálandó tárgy felületének a szenzor referenciatengelyével bezárt szöge. Ha ez a szög eléri a 90 -ot, a visszavert hullám nem tér vissza a szenzor tengelye mentén, azaz csökkenti a diffúz sugaras érzékelő észlelési távolságát. Ez különösen nagyobb mérési tartományok esetén fontos, hiszen 61

63 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos ekkor már 3 -os eltérés is az észlelés hiányához vezethet. Kisebb mérési tartományok, tiszta és kis céltárgy esetén akár 10 eltérés is megengedett. - Céltárgy alakja. Abban az esetben, ha a céltárgy felületéről visszavert sugár iránya nagyban eltér a szenzor tengelyének irányától, az átmenő sugaras vagy reflexiós érzékelők használata javasolt. - Folyadékok felülete. Az ultrahang-hullámok reflexiós együtthatója folyadékok és szilárd anyagok esetén megegyezik. Sima, hullámmentes folyadékfelületek könnyen detektálhatók. - Érzékelők kölcsönös interferenciája. Ha több érzékelő egymáshoz túl közel van felszerelve, az egyik szenzor által kibocsátott hullám visszhangját érzékelheti egy másik szenzor is, melynek kimeneti állapota ekkor szükségtelenül megváltozik. Ennek elkerülése érdekében tartsuk be az érzékelők közötti ajánlott minimális távolságot. 56. ábra: Azonos időben működő szenzorok közötti ajánlott minimális távolság 62

64 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Szenzorok szinkronizálása Kettő vagy több szenzor megfelelő összekapcsolása lehetővé teszi egymás közelségében való elhelyezésüket interferencia veszélye nélkül. A szinkronizálás javasolt, ha a szenzorok azonos irányba bocsátanak ki hullámokat, és az ultrahang hullámok részlegesen átfedik egymást. Szinkronizálás esetén lehetséges, hogy a detektált tárgy az aktív szenzor és a vele szinkronizált szenzor előtt található, mégis csak az aktív szenzor kimenete változik meg. Az alábbi ábra két egymáshoz közel felállított szenzort mutat: A B érzékelőt B1 és Ax visszhang is eléri. Az A1 visszhang az A érzékelőt hamarabb éri el, mint ahogy az Ax és B1 visszhangok elérik a B érzékelőt. A szenzorok szinkronizálása érzéketlenné teszi őket az első visszhangon kívül érkező további jelekre, így más interferáló ultrahang hullámok hatása kiküszöbölhető. A szinkronizált szenzorok egy időben bocsátanak ki jelet, és egy, kiterjesztett akusztikus kúppal rendelkező érzékelőként működnek, mely ugyanazt a tárgyat detektálja. 57. ábra: Két egymáshoz közel elhelyezkedő, és azonos céltárgyat érzékelő szenzor szinkronizálása 63

65 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.5 Speciális ultrahangos érzékelők Reflexiós érzékelők A retro-reflexiós érzékelők működésének elve a detektált tárgyról és a reflektorról visszavert hanghullám visszatérési idejének különbségén alapszik. A reflektor szerepét tetszőleges kemény és sima felületű tárgy betöltheti. A detektálandó tárgyról viszszavert hanghullámnak hamarabb kell visszaérkeznie, mint a reflektorról visszavert hullámnak. Ekkor az érzékelő kimeneti állapota megváltozik. a) Reflektor oror b) Reflektor 58. ábra: Reflexiós szenzor kimeneti állapota: a) céltárgy érzékelése előtt; b) céltárgy érzékelése után 64

66 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az ilyen szenzorok a sugár abszorpció vagy eltérítés miatti teljes megszakítását is érzékelik: a sugár megszakítása, azaz a céltárgy észlelése a kimeneti állapot megváltozását vonja maga után. Az ilyen szenzorok különösen alkalmasak például vatta, szivacs, textíliák észlelésére, mivel ezek nagymértékben elnyelik a hanghullámot, valamint a szenzor tengelyére nem merőleges felületek detektálására is alkalmasak. a) b) 59. ábra: Visszavert ultrahang hullám megszakítása: a) hangvisszaverő felület; b) hangot elnyelő anyag 65

67 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A reflexiós érzékelők bármely kemény felületről visszaverődő ultrahang-hullámot fel tudják használni. Ez különösen nehezen hozzáférhető helyek esetén előnyös. Az érzékelők alábbi ábrán látható elrendezésben egyszerre használják fel a teljes sugár megszakítás, és a visszhang reflexiójának elvét. 60. ábra: Reflektált ultrahang-hullám használata elnyelő anyagok észlelésére reflexiós szenzorral 66

68 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Két átalakítós érzékelők Két átalakítós érzékelők egyszerre működhetnek diffúz sugaras és reflexiós üzemmódban. Ekkor az egyik átalakító emitterként, a másik pedig ultrahang vevőként működik. Ez az elrendezés lehetővé teszi a szenzorhoz nagyon közel elhelyezkedő céltárgyak észlelését is, mivel a vevőnek nem kell megvárnia, amíg az emitter kibocsátja a jelet. A két átalakítót azonban szinkronizálni kell. a) b) 61. ábra: Két átalakítóval rendelkező szenzorok: a) diffúz sugaras üzemmód; b) reflexiós üzemmód 67

69 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Hengeres tárgyak könnyebben észlelhetők, mint a laposak. Lapos tárgyak esetén a visszhang könnyen kiléphet a vevő működési tartományából. 62. ábra: Hengeres és lapos felületű tárgyak észlelése 68

70 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.6 Analóg kimenetű érzékelők Az ultrahangos érzékelők nagy része mind kétállapotú, mind analóg kimenettel is rendelkezik. Ha távolság mérésére van szükség, a feszültség vagy áram kimenetet használjuk. A kimeneti feszültség vagy áram nagysága arányos a mért távolsággal. 63. ábra: A céltárgy távolságának változása okozta kimeneti jelváltozás 69

71 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 3.7 Alkalmazások Az ultrahangos érzékelőket számos területen alkalmazzák, mivel érzéketlenek a mérési tartományban esetlegesen fellépő zavaró hatásokra és a szenzor elemeinek elszennyeződésére. Az ilyen érzékelőkkel lehetséges különböző tárgyak észlelése függetlenül - azok anyagától (fém, műanyag, fa, karton, stb.), - fizikai megjelenésétől (szilárd, folyékony, granulátum, stb.), - színétől, - átlátszóságának mértékétől. Ipari alkalmazások eseten ezeket az érzékelőket használhatjuk többek között az alábbiak megfigyelésére: - berendezés pozíciója, - tárgyak sora futószalagon, - különböző színű folyadékok szintje tartályokban, - granulátum szintje. 64. ábra: Diffúz sugaras érzékelő használata üvegtartályban elhelyezkedő folyadékok szintjének ellenőrzésére 70

72 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 65. ábra: Folyadékszint mérés analóg ultrahangos érzékelővel 66. ábra: Elemek számlálása futószalagon átmenő sugaras ultrahangos érzékelő segítségével 71

73 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 67. ábra: Dobozok megtöltési ütemének ellenőrzése diffúz sugaras ultrahangos érzékelővel 68. ábra: Tárgyak méretének mérése analóg kimenetű ultrahangos érzékelőkkel 72

74 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 69. ábra: Futószalag vagy huzal hibák figyelése ultrahangos érzékelővel 70. ábra: Ultrahangos érzékelő használata ütközésvédelemre: biztonságos távolság betartásának ellenőrzése 73

75 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 71. ábra: Szalag elégtelen feszítettségének észlelése 72. ábra: Papírhenger átmérőjének mérése 74

76 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 73. ábra: Futószalagon reflektáló és nem-reflektáló tárgyak számlálása ultrahangos érzékelő segítségével 75

77 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4 Fotoelektromos (optoelektronikai) érzékelők 4.1 Működési elv Az optikai érzékelők optikai és elektronikai eszközök kombinációját használva jelzik a különböző objektumok tárgyak, anyagok jelenlétét. Tetszőleges anyagi minőségű tárgy jelenlétét érzékelik, néhány milliméteres közelségtől egészen néhány tíz méteres távolságig. A fotoelektromos érzékelők akkor reagálnak, ha a céltárgy vagy megszakítja a kibocsátott fénysugár útját, vagy annak felületéről visszaverődik. A fényjel változásait az érzékelő a kimeneti állapotot vezérlő elektromos jellé alakítja. A fotoelektromos érzékelők a következő fő alkotóelemekből állnak: fényforrás (1) és fényérzékelő (2), elektronikus áramkörök (3), kimeneti rendszer (4), egy vagy két LED (5), mely az érzékelő működési állapotáról ad felvilágosítást, az érzékenységet állító potenciométer (6), ház (7) és átlátszó árnyékolás (l. alábbi ábra) ábra: Hengeres házú fotoelektromos érzékelő sematikus felépítése Az elektronikus áramkörök közé tartoznak az alábbiak: - a forrás fényének modulálására szolgáló oszcillátor (3) - hasznos jelet kiválasztó demodulátor (4) 76

78 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szenzor további komponensei: fényadó (1), -vevő (2) és egy tranzisztor (3), mint kimeneti elem. A fent felsorolt komponensek elhelyezkedhetnek egy közös, de akár két különálló házban is. Ez attól függ, hogy a céltárgy megszakítja, vagy visszaveri a fényt. A B C 75. ábra: Fotoelektromos érzékelők fő szerkezeti elemei: A: átmenő sugaras érzékelő, B: retro-reflexiós érzékelő, C: diffúz sugaras érzékelő 77

79 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.2 Fotoelektromos komponensek Fizikai alapok A fény Fizikai szempontból a fény fogalmába beletartoznak a látható tartomány mellett elhelyezkedő ultraibolya (a látható fény hullámhosszánál rövidebb) és az infravörös (hosszabb hullámhosszú) fény is. A látható fény az elektromágneses sugárzás emberi szem által érzékelhető tartománya (370nm 770nm hullámhossztartomány). 76. ábra: Elektromágneses sugárzás tartományai 78

80 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A szem érzékenysége hullámhosszfüggő, azaz különböző színeket különböző érzékenységgel detektál. A szem a sárga közelében elhelyezkedő, azaz 550 nm környéki színekre a legérzékenyebb. Az infravörös és ultraibolya fény a szem számára láthatatlan. Különböző fotoelektromos érzékelők látható vörös, vagy láthatatlan infravörös fényt használnak. 77. ábra: Szemérzékenység-görbe a hullámhossz függvényében 79

81 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fény tulajdonságai Reflexió a felületek visszaverik a rájuk eső fényt. Ezért látjuk a minket körülvevő tárgyakat. Abszorpció a felületekre beeső fény egy részét a tárgyak elnyelik. Ekkor az elnyelt fényenergia általában hővé alakul át. Transzmisszió a fény fennmaradó része, azaz amit a felület se vissza nem ver, se el nem nyel, áthalad a tárgyon. A tárgy anyagi minőségétől függően a fényt szórhatja is. Fénytörés a különböző (sűrűségű) közegeken áthaladó fény útja megváltozik. Speciális esetekben a fénytörés helyett teljesen vissza is verődhet a két közeget határoló felületről. Az optikai szálak esetén ezt a jelenséget használjuk ki. Eltérő hullámhosszú fény eltérő törési tulajdonságokkal rendelkezik. A prizmán áthaladó fényt a prizma hullámhosszak szerint felbontja, így alakul ki a beeső fehér fényből annak prizmán való áthaladásakor a gyakran megfigyelhető szivárvány. 78. ábra: Fény tulajdonságai 80

82 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fény különböző felületekről való visszaverődésének módja nagyban függ a felület reflexiós tulajdonságaitól, mint pl. a felületi érdesség, szerkezet és szín. A visszaverődés (reflexió) lehet: 1. irányított: ekkor a visszaverődés szöge megegyezik a beesés szögével. Ez történik például ragyogóra fényezett fém vagy tükör felületek esetén. 2. irányított szórt: ekkor a fény egy része irányítottan viszszaverődik, egy része pedig szóródik, pl. festett felületek esetén. 3. szórt: ekkor a beeső fény különböző irányokba verődik vissza, pl. érdes felület esetén. 79. ábra: Fény visszaverődésének lehetőségei 81

83 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Fényemittáló elemek A fotoelektromos érzékelők két fő félvezető elem családra oszthatók: félvezető fényforrásokra (ezeket gyakran egyszerűen adóknak vagy emittereknek nevezzük), és fotódetektorokra. Ezek két különböző alapvető optikai folyamaton alapszanak: a foton kibocsátáson és a megvilágított fotódetektorok foton abszorpcióján. A fotóemittereket az alábbi csoportokra osztjuk: - LED: fénykibocsátó dióda. Az elnevezés az angol megnevezés rövidítésén alapul: Light Emitting Diode. Látható tartományban, azaz 780 nm-es hullámhossznál rövidebb hullámtartományban bocsát ki fényt. - Félvezető lézerdióda (LD): a LED továbbfejlesztése, látható vagy infravörös tartományban működik. 82

84 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Fénykibocsátó dióda (LED) A LED működésének alapja az elektro-lumineszcencia, azaz külső elektromos áram hatására a félvezető gerjesztett állapotba kerül, és elektromágneses sugárzást bocsát ki. A LED egy n-típusú és egy p-típusú félvezető rétegből, egy aktív területből (p-n átmenet) és egy fém kontaktuspárból (anód, katód) áll. A LED akkor működik megfelelően, ha a p-n átmeneten nyitó irányban polarizált, azaz a feszültség >0. A lumineszcencia intenzitása az áthaladó áram nagyságától függ, az összefüggés széles áramtartományban lineáris. 80. ábra: Fotóemitter modellje, áramköri jele és áram karakterisztikája 83

85 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A LED nagyon szűk hullámhossztartományban bocsát ki sugárzást, melynek domináns hullámhossza határozza meg a kibocsátott fény színét. A domináns hullámhossz a félvezető anyagi minőségétől függ. Különböző összetételű, és különbözőképpen szennyezett anyagok léteznek, melyek esetén a kibocsátott fény színe eltérő. A fénykibocsátó diódák félvezető anyagokból készülnek (a periódusos rendszer III és V főcsoportjainak elemeiből). Ilyenek például: Gallium-arzenid (GaAs) az infravörös - vörös tartományban (950 nm-650 nm) sugároz, Gallium-arzenid-foszfit (GaAsP) vörös sárga tartományban (630 nm 590 nm) sugároz, Gallium-nitrit (GaN) kéken (430 nm) sugároz. A kibocsátott fénysugár erősen divergens, azaz fókuszálni kell, ezért a LED-ek háza egy sugárformáló (fókuszáló) lencsét is tartalmaz. 81. ábra: LED-ek spektrális karakterisztikái 84

86 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A látható és a közeli infravörös fényt (IR A) kibocsátó LED-eket fotoelektromos érzékelők emittereiként használjuk. A látható fényű emitterek esetén könnyebb az érzékelő pozicionálása, az infravörös emittereket azonban kis teljesítményfelvételük, pontosságuk és nagy távolságokon is megbízható észlelési tulajdonságaik miatt kedvelik. A LED-ek általában könnyű, átlátszó, matt, színtelen vagy a LED színével megegyező színű házban találhatók, mely egy műanyag lencsét is tartalmaz. Ez formálja a sugarat, így optimális karakterisztika érhető el. 82. ábra: LED-ek sugárzásának szögeloszlási karakterisztikája (példák) 85

87 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Lézerdióda (LD) A LED-ek és a lézerdiódák közötti alapvető különbség, hogy ez utóbbiak optikai rezonátorral rendelkeznek, melyet az LD határfelületei hoznak létre. Egy bizonyos a félvezetőn átfolyó áramerősségig az LD egyszerű LED-ként működik, azonban a küszöb áramerősséget meghaladva megkezdődik a fotonemisszió. Ez az indukált emisszió, mely eredménye a lézerek által emittált speciális fény, mely nagy teljesítménysűrűségű, koherens és a keskeny spektrális eloszlású. 83. ábra: Lézerdióda lamináris szerkezete 86

88 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az LD aktív komponense a p-n átmenet, mely erős és koherens, nagy intenzitású sugárzást bocsát ki, így a LED-ek érzékelési tartományánál nagyobb érzékelési távolság lehetséges. Fotoelektromos szenzorként főleg a látható fényt ( nm) kibocsátó LD-ket alkalmazunk. Lézer emittereket tartalmazó szenzorok különösen kis céltárgyak észlelésére vagy azok pontos pozicionálására alkalmasak. A lézersugár majdnem tökéletesen párhuzamos, így az adó és a vevő korrekt pozicionálása egyszerűbb. 84. ábra: LD és LED spektrális karakterisztikájának összehasonlítása 87

89 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Fénydetektáló elemek Fotodióda A félvezető fotódetektorok az adó által kibocsátott fényenergiát elektromos energiává alakítják át, általában félvezető fotodiódák vagy fotótranzisztorok. Az abszorbeált optikai sugárzás a fotódetektorban belső fotoelektromos jelenséget okoz, melynek eredménye a fotóáram. A nem megvilágított p-n átmenetes fotódetektorban csak csekély sötétáram folyik. A fotódetektorok fontos jellemzője a fényimpulzusra való reagálási idő. A pulzus felfutási ideje a fotóáram a maximális fotóáram 0,1-szereséről 0,9-szeresére való felfutásának ideje. 85. ábra: Impulzus felfutási és lecsengési ideje fotódetektorban 88

90 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fotodiódák általában szilíciumból vagy gallium arzenidből készülnek, és külső (negatív polarizáltságú) tápfeszültségről működnek. A p-n átmenet megvilágítása a fotodióda záróirányú áramának növekedéséhez vezet, melynek értéke főként az aktív felületre beeső fény sűrűségétől függ. A gyűjtőlencse a sugár fénysűrűségének növelését szolgálja. 86. ábra: Fotodióda modellje 89

91 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fotodiódát leginkább magas működési frekvenciája tünteti ki: a fényjeleket több tíz MHz-es frekvenciával tudják átalakítani. Komoly hátrányuk azonban a fotodióda áramának erős hőmérsékletfüggése. Ha az n- és p-típusú félvezetők között egy i-típusú intrinzik félvezető réteg is van, PIN diódát kapunk. A köztes réteg eredményeképpen módosul a félvezető energiaszerkezete. A tipikus fotodióda esetén az elnyelő (határ-) réteg vastagsága sokkal kisebb a fotonok behatolási mélységénél. Ennek következtében a fotodióda hatásfoka nem különösen magas, a fotóáram pedig csökken. Ez utóbbi növelhető, ha a p- és n-típusú rétegek közé egy i-típusú fél-szigetelő réteget iktatunk be, és így megnöveljük az elektromos mező körüli területet. Az ilyen (PIN) dióda válaszideje rövidebb a közönséges diódák válaszidejénél, és a hatásfoka is magasabb. 87. ábra: PIN fotódióda modellje 90

92 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Pozícióérzékeny detektorok (PSD) A pozícióérzékeny detektorok PIN fotodiódák, melyek nagy, fényérzékeny felülettel rendelkeznek. A fény a félvezető vonalzó alakú p-típusú rétegét éri. Ennek eredményeként a belső fotoelektromos hatás következtében az elemen elektromos töltések jönnek létre, és I A és I B áramok folynak. Ha a fénynek kitett p félvezetőt egyenletesen világítjuk meg (azaz a vonalzó jobb és bal oldalát közel azonos számú foton éri el), I A I B. Ez az eset áll fenn például, ha egy fénysugár pontosan a vonalzó közepét éri, a háttér pedig egyenletesen van megvilágítva. Ha a fénysugár a vonalzó közepéhez képest nem szimmetrikusan érkezik, a két áram erőssége eltér. Az áramok arányának mérésével a maximális fényintenzitás lineáris pozíciója, és így az x távolság meghatározható. Ezt a szenzor elektronikája feszültségjellé alakítja, így rendelkezésre áll egy analóg kimeneti jel. 88. ábra: Fénypont helyének meghatározása pozícióérzékeny detektor segítségével. Működési elv 91

93 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos CCD-k Manapság a pozícióérzékeny detektorok helyett már gyakran CCD-ket (Charge-coupled Device, azaz töltés-csatolt eszköz) alkalmaznak, mivel ezek kevésbé érzékenyek a másodlagos vagy véletlen fényhatásokra, hiszen a CCD a pozícióérzékeny detektorokkal ellentétben csak a fény intenzitására, nem pedig annak mennyiségére reagál. A tipikus CCD mátrix fényérzékeny cellákból (pixelek) álló szabályos, lineáris szerkezet, kimente pedig diszkrét feszültségérték, mely a beeső fény menynyiségét jelzi. A fénypont x pozíciója a fénysugár CCD-re beeső súlyozott középpontjának felel meg. A CCD mátrixok az nm-es tartományban a leghatékonyabbak. 89. ábra: Fénypont helyének meghatározása CCD-vel 92

94 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Fotótranzisztorok A fotótranzisztor egy két p-n átmenetet tartalmazó félvezető elem. Felépítése hasonlít az egyszerű erősítő tranzisztoréhoz, azonban a ház itt lehetővé teszi a félvezető megfelelő területének megvilágítását. A fotótranzisztor érzékenysége többszöröse a fotódióda érzékenységének, mivel a beeső fénysugár által gerjesztett áramot ez az elem fel is erősíti. Ezen előnye miatt a fotótranzisztorokat gyakran használják fotódetektorként, jóllehet a levágási frekvenciájuk a diódákhoz viszonyítva sokkal alacsonyabb. A fotótranzisztorok kimeneti áram-feszültség karakterisztikája hasonlít a közönséges bipoláris tranzisztor karakterisztikájára. Szenzorokban pnp és npn tranzisztorokat is használunk. 90. ábra: Fotótranzisztor spektrális érzékenysége, és elektromos áramkörökben használt jelölése 93

95 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.3 Alapvető érzékelő típusok Átmenő sugaras érzékelők Átmenő sugaras érzékelők esetén a fénysugár az adóból egyenesen a közös tengely mentén elhelyezett vevőbe kerül. Az ilyen érzékelők az adó és a vevő között megjelenő, és a fénysugarat megszakító tárgyakat detektálják. Nagyban érzéketlenek a külső körülményekre, pl. a porra, a lencséket elhomályosító szennyeződésekre, gőzre vagy párára. Érzékelési távolságuk ( > 50 m) a különböző típusú szenzorokat összevetve a legnagyobb. Két fő konstrukciójuk létezik: hengeres és négyszögletes kialakítású. Az ilyen érzékelők legfontosabb tulajdonsága, hogy tetszőleges anyag esetén működnek. A felület lehet festett, áttetsző, átlátszó, érdes, sima, fémes, műanyag, vagy szinte bármi más. 91. ábra: Átmenő sugaras érzékelők: a) hengeres házban; b) négyszögletes házban 94

96 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. Az érzékelő jelez, ha a céltárgy a sugár legalább 50%-át kitakarja. 92. ábra: Fénysugár, az adó és a vevő látómezeje 95

97 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Retro-reflexiós érzékelők A retro-reflexiós érzékelők esetén az adó és a vevő egy házban helyezkedik el. A fényvevőbe való visszaterelésére reflektort használunk. A fénysugár felé haladó tárgy a sugarat megszakítja, és kimeneti jelet generál. Az átlagos, polarizációs szűrő nélküli retro-reflexiós érzékelők az infravörös, a polarizációs szűrővel rendelkező modellek pedig a látható (általában vörös) tartományban működnek. Az ilyen érzékelők előnye nagy hatótávolságuk (kb. 12 m-ig) és a céltárgy felületi minőségével és színével szembeni érzéketlenségük. 93. ábra: Retro-reflexiós érzékelők: a) hengeres házban; b) négyzetes házban 96

98 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Ezen érzékelők használatához speciális reflektorra vagy felragasztható visszaverő lapokra van szükség. a) b) 94. ábra: a) reflektorok; b) felragasztható visszaverő lapok A közönséges tükörtől és más lapos visszaverő felületektől eltérően a reflektorokat nem kell az érzékelőhöz képest pontosan derékszögben elhelyezni, tehát néhány fokos pozicionálási hiba még nem befolyásolja az érzékelő működését. 95. ábra: Fényvisszaverés: a) duplatükrös rendszerben; b) egymásra merőleges tripla tükrös rendszerben 97

99 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A retro-reflexió kétdimenziós elve térbeli rendszerekre is kibővíthető, itt három egymással kölcsönösen derékszöget bezáró tükröt alkalmazunk. A rendszerbe belépő fénysugarat mindhárom tükör teljességében visszaveri, majd a beeső fénysugárral párhuzamosan lép ki. A retro-reflexiós érzékelők reflektor felületet általában tripla tükrös. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. 96. ábra: Emittált és észlelt fénysugár retro-reflexiós érzékelők esetén 98

100 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Diffúz sugaras érzékelők A diffúz sugaras érzékelőt gyakran reflexiós vagy közelítő érzékelőnek is nevezzük, és a céltárgyak közvetlen detektálására használatos. Amellett, hogy az adó és a vevő egy házban helyezkedik el további előnye, hogy nincs szükség reflektora. Az adó fénysugarat bocsát ki, melyet a céltárgy visszaver, az visszatér a vevőbe, és kimeneti jelet generál. 97. ábra: Alapvető diffúz sugaras érzékelő modellek: a) hengeres házban; b) négyszögletes házban 99

101 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A diffúz sugaras érzékelők működési tartománya relatív kicsi (kb. 100 mm-ig, ritkán 200 mm-ig). A nagyobb távolságban elhelyezkedő tárgyakat (vagy a hátteret) már nem tudják detektálni. A működési távolság bizonyos mértékben függ a céltárgy színétől és felületének minőségétől. A céltárgy tulajdonságaitól függően annak reflexiós tényezője széles skálán mozoghat. Fényes felületek még nagyobb távolságból is a fénysugár nagy részét visszaverik, azonban a megfelelő tárgy érzékelése okozhat problémákat. A diffúz sugaras érzékelők működési távolságának meghatározására kalibrált diffúz tárgyfelületet, azaz pl. egy fehér papírlapot, vagy Kodak papírt (mely a fénysugár kb. 90%-át visszaveri) használunk. 100

102 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.4 Jelfeldolgozás Zavaró hatások Működési elvükből kifolyólag a fotoelektromos érzékelők érzékenyek a természetes és mesterséges külső források által keltett zavaró hatásokkal szemben. Külső forrásból származó fénysugarak nagyban befolyásolhatják az emitter által generált fényáram erősségét, mely a szenzor hibás működéséhez vezet. Ennek kiküszöbölése érdekében a szenzorok olyan belső áramkörökkel rendelkeznek, melyek kivágják az ilyen interferenciát és más zajokat is, valamint finomhangolják az érzékenységet. A környezeti szennyezés, pl. a detektálandó céltárgy felületén és a szenzor lencséin lerakódó olaj és por tovább erősítheti az zavaró hatások által adódó problémákat. Az alábbi ábra néhány jellegzetes mesterséges fényforrás spektrumát ábrázolja. 98. ábra: Sugárzási spektrum: a) izzólámpa; b) nátrium lámpa; c) fluoreszcens fényforrás (fénycső) 101

103 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az izzólámpa spektruma széles, maximuma nm környékén található. A nagynyomású nitrogén kisülő lámpák spektrális összetétele folytán ezek a fény nagy részét nm között emittálják (hasonlóan a vörösen világító LED-ekhez). A fénycsövek spektruma néhány domininás vonalból és nm között egy elhúzódó, lapos sávból áll. A természetes forrásból származó állandó intenzitású fényből vagy a természetes fény spektrumához hasonló mesterséges fényforrások fényéből származó interferenciára, de a változó intenzitású fényforrásokra (villogó fények) is a diffúz sugaras érzékelők a legérzékenyebbek. 102

104 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Zavaró hatások kiküszöbölése Fénymoduláció A fotoelektromos érzékelők modulált fényt használnak, így relatív érzéketlenek a környezet fényviszonyaival szemben. A moduláció azt jelenti, hogy az adó fényforrása csak rövid, az impulzusok közötti szünetnél rövidebb időre kapcsol be. Az ily módon modulált fény frekvenciája a néhány khz-es tartományban van. Ennek ellenére, ha az adó és a külső forrás hasonló frekvenciával működnek, interferencia léphet fel. A modulált fény használatának számos előnye van: - az érzékelő kevésbé érzékeny a környezet fényeire, - nő a szenzor érzékelési távolsága, - csökken a keletkező hulladékhő mennyisége, ezzel nő a LED-ek élettartama A LED adók és vevők az emittált sugár és a vevő látómezejének szűkítésére optikai lencsékkel vannak felszerelve, így korlátozható a szenzor válaszadási tartománya mely csökkenti a tartományon kívüli háttértárgyakról való reflexió valószínűségét. Ezzel egy időben a fény fókuszálásával nagymértékben növelhető az adó, és a vevő vagy a fényt visszaverő felület közötti távolság. Vannak olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség, ekkor a foto-optikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják. 99. ábra: Adó feszültségmodulálása 103

105 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Fénypolarizáció A retro-reflexiv érzékelők alaptípusának kimeneti rendszere hibás választ generálhat, ha látóterében fénylő tárgy jelenik meg. A céltárgyról visszavert sugár és más fények megkülönböztetése érdekében szükség lehet polarizált fény használatára. A polarizáció a fényhullám rezgéseinek részleges vagy teljes rendezése. Ha a fény nem polarizált, az elektromos és mágneses mezők különböző irányokba mozoghatnak. Ezzel szemben a polarizált fény csak egy irányba rezeg. A természetes, valamint a LED-ek által kibocsátott fény is polarizálatlan. Azonban ha a fény egy polarizációs szűrőn halad keresztül, a sugárnak csak a szűrő polarizációjának megfelelő polarizáltságú része marad meg. A következő ábra a fény egy vízszintes polarizáltságú szűrőn történő áthaladását szemlélteti. Ha ezután a sugár útjába egy függőleges polarizáltságú szűrőt helyezünk, egyáltalán nem halad át rajta fény, hiszen az előző szűrést követően a maradék fénysugár ilyen komponenssel már nem rendelkezik. A diffúz (szórt) visszaverődés megszünteti a polarizációt, a függőleges polarizáltságú szűrőn áthaladó maradék kis nyalábrész energiája kicsi, és általában már nem elegendő a felületről visszaverődő fény detektálásához. Ezzel ellentétben egy tükör felületéről való visszaverődés során a polarizáció megmarad, és a fény útjába helyezett függőleges polarizáltságú szűrő nem engedi át a sugarat. A fenti két jelenségnek köszönhetően a polarizált fény reflektoros retro-reflexív érzékelők esetén kiválóan alkalmazható. A megfelelő szűrők kiválasztásával és elhelyezésével a tükröző felületekről érkező sugarak által keltett interferencia elkerülhető, az átlátszó tárgyak pedig felismerhetők. A polarizációs szűrők általában polimer fóliákból készülnek. 104

106 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 100. ábra: Fény polarizációja szűrők segítségével: a) fény kioltása két szűrővel; b) polarizált fény visszaverődése diffúz felületről; c) polarizált fény visszaverődése tükröző felületről 105

107 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Működési többlet Külső hatások, pl. az érzékelő optikájának elszennyeződése, a céltárgy reflexiós együtthatójának változása vagy az emitter öregedése következtében a fotoelektromos érzékelőre beeső fény mennyisége csökkenhet, mely a kimeneti jel szintjének csökkenéséhez vezet. Ekkor előfordulhat, hogy a jelszint túl alacsony a kimeneti állapot átváltásához, tehát a szenzor helytelenül működik. Ennek elkerülése érdekében egy bizonyos jelszint feleslegnek, azaz működési többletnek kell rendelkezésre állnia. Ha a vevőt nem éri fény, a működési tartomány nullával egyenlő. Az 1-el egyenlő működési tartomány annak a helyzetnek felel meg, amikor a szenzorra beeső fény mennyisége elegendő a kimeneti állapot KI-ről BE-re kapcsolásához. Annak érdekében, hogy a rendszer egy bizonyos tartalékkal rendelkezzen, a tartomány nagyobb 1-nél, így a beeső fény mennyisége meghaladja az átkapcsoláshoz minimálisan szükséges fény menynyiségét. Működési többlet = érzékelt fény mennyisége átkapcsoláshoz szükséges mennyiség 101. ábra: A fotoelektromos érzékelő védett működési tartománya, és a működési többlet kapcsolata 106

108 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Ha a fotoelektromos érzékelő működésének körülményei ismertek, a fenti képletből kiszámított működési többlet biztosítja a megfelelő működést a beeső fénysugár csillapodása esetén is. Minél több a fényfelesleg, annál megbízhatóbb a szenzor működése. Olyan alkalmazások esetén, ahol előfordulhat, hogy a beeső fény mennyisége csökken, nagy működési tartalék használata ajánlott. Még tiszta levegő esetén, és a lencsék elszennyeződésének minimális valószínűsége mellett is a működési tartalék legyen legalább 1.5. Kiemelkedően szennyezett környezetben, ahol a lencsék tisztításának lehetősége korlátozott, a tartalék legyen legalább 50-szeres. A szenzor fényfelesleg érzékelő áramköre, mely például tartalmazhat egy villogó diódát, jelzi az instabil működési körülményeket, azaz jelzi, ha a beeső fény mennyisége nem elegendő. Diffúz sugaras érzékelők esetén a kimeneti áramkör BE- illetve KI-kapcsolásához különböző jelszintek tartoznak, azaz hiszterézis lép fel. Az érzékelő érzékelési távolsága mindig a BE-kapcsoláshoz szükséges jelszintre vonatkozik ábra: Diffúz sugaras érzékelő kapcsolási hiszterézise 107

109 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A hiszterézis az érzékelő céltárgytól való távolságával nő ábra: Hiszterézis az érzékelési távolság függvényében, diffúz sugaras szenzor esetén 108

110 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Működési távolság A fotoelektromos érzékelők egy fontos tulajdonsága a működési távolság, melyet a maximális érzékelési távolság határoz meg. Átmenő sugaras érzékelők esetén ez az adó és a vevő, retro-reflexiós érzékelők esetén a szenzor és a reflektor, diffúz sugaras érzékelők esetén pedig a szenzor és a céltárgy közötti maximális távolság. Ez a távolság minden esetben megegyezik a maximális hasznos érzékelési távolsággal ábra: Maximális érzékelési távolság: a) átmenő sugaras érzékelő; b) retroreflexiós érzékelő, c) diffúz sugaras érzékelő 109

111 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A retro-reflexiós és a diffúz sugaras érzékelők működéséből adódóan, mivel az adó és a vevő egy házban helyezkedik el, ezen szenzorok esetén létezik egy minimális érzékelési távolság is, mely alatt a céltárgy már nem detektálható ábra: Retro-reflexiós és diffúz sugaras érzékelők minimális érzékelési távolsága 110

112 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Válaszadási idő Kicsi, vagy mozgó tárgyak detektálása esetén a fotoelektromos érzékelő válaszadási ideje (a KI és BE állapotok közötti váltás ideje) lényegbevágó lehet. A válaszadási idő a fénysugár az adó és a vevő közötti megjelenésének pillanatától egészen a kimeneti állapot megváltozásáig számítandó. A céltárgy eltávozását követően a kimeneti állapot megváltozásáig eltelő időt elengedési idő -nek nevezzük. Ez nem mindig egyezik meg a válaszadási idővel. Adott érzékelőkre a maximális válaszadási/elengedési időt a specifikáció tartalmazza, azonban elkerülhetetlen az ezen értéktől való kisebb eltérés, hiszen az emitter fénypulzusokat bocsát ki, melyek frekvenciája nem szinkronizálható a céltárgy mozgásával. A válaszadási idő ismeretében meghatározható, hogy a céltárgynak mennyi ideig kell az érzékelő látómezejében maradnia, hogy a szenzor érzékelni tudja, azaz mekkora lehet a céltárgy maximális sebessége, illetve mennyi hely legyen az egymást követő tárgyak között. Céltárgy szélessége Céltárgy az észlelési mezön belül = Céltárgy sebessége Az így meghatározott időnek meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt, különben a szenzor a céltárgyat nem detektálja. Ha a céltárgyak közötti távolság kisebb a tárgyak szélességénél, az üres helynek a szenzor látómezejében eltöltött ideje: Szünet szélessége Szünet az észlelési mezön belül = Céltárgy sebessége Az így meghatározott időnek meg kell haladnia a katalógusban szereplő válaszadási időt. 111

113 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.5 Speciális érzékelők Retro-reflexiós polarizált érzékelő A polarizációt felhasználó retro-reflexiós érzékelők esetén az emitter fényét egy lencse fókuszálja, majd a fény egy vízszintes polarizációs szűrőn keresztül egy tripla tükrös reflektorra érkezik. A tripla tükrös reflektorok egy fontos tulajdonsága, hogy a fény polarizációs síkját 90 -al elforgatják. A reflektorról visszavert fény egy része a vevőt egy másik függőleges polarizációs szűrőn keresztül éri el. A szűrők úgy vannak beállítva és elhelyezve, hogy csak a reflektorról visszavert fény éri el a vevőt, a környező tárgyakról érkező fény nem. Polarizált fényű érzékelők esetén az emittált fény intenzitása mindig csökken, mivel a polarizációs szűrő a fény egy részét eltávolítja. Ennek eredményeképpen az ilyen érzékelők érzékelési távolsága 30-40%-al rövidebb, mint a standard retro-reflexiós érzékelőké. Fényforrásként általában vörös fényű LED-eket használunk ábra: Retro-reflexiós polarizált érzékelő tripla tükrös reflektorral 112

114 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Diffúz sugaras érzékelők elő- és háttér elnyomással Több diffúz sugaras érzékelő típus esetén is megadható a minimális és maximális érzékelési távolság. Ennek semmi köze a szenzor érzékenységéhez, a vevő lencséinek beállításával vagy a kiegészítő tükrök szögének megváltoztatásával oldható meg. Ez a lehetőség különösen hasznos, ha a detektálandó tárgy mögött egy erősen visszaverő tárgy helyezkedik el, mely zavarhatná a céltárgy felismerését. Ezt a hatást a maximális észlelési távolság rövidebbre állításával küszöbölhetjük ki. Ekkor csak a beállított távolságnál közelebb elhelyezkedő tárgyat érzékeljük (háttér elnyomása). A háttér elnyomásának hatékonyabb módja annak elektronikus kivitelezése, amikor az érzékelő látja a hátteret, azonban ignorálja. Példa lehet erre egy kétvevős diffúz sugaras érzékelő, vagy egy CCD kamerával vagy PSD átalakítóval felszerelt triangulációs érzékelő. Az első esetben a céltárgy felismerése a beeső fényerők összehasonlításán, míg a második esetben a szenzor-céltárgy távolság mérésén majd ennek a megadott távolsággal való összehasonlításán alapszik ábra: Aktív terület korlátozása az adó és a vevő optikai tengelyeinek metszete hatására 113

115 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők az alábbi három üzemmód egyikében működhetnek: - Az észlelési tartományon kívül elhelyezkedő tárgy (Tárgy 3) elleni védelem (háttér elnyomás) - Az észlelési tartomány előtt elhelyezkedő tárgy (Tárgy 2) elleni védelem (előtér elnyomás) - Csak a definiált tartományon belüli tárgy (Tárgy 1) észlelése (ablak funkció) Egy olyan tárgy esetén, mely - L min -nél közelebb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el - L max -nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el - L min -nél közelebb, de L max -nál távolabb helyezkedik el, a szenzor a detekciós tartomány előtt és után kibocsátott fénysugarak hatását nyomja el ábra: Triangulációs érzékelő elektronikus háttér elnyomással 114

116 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A triangulációs érzékelő optikai rendszerének köszönhetően a lézer dióda által kibocsátott fényimpulzus fókuszált, szinte párhuzamos fénynyaláb. Amikor pályája találkozik Tárgy 1-el, diffúz reflexió következik be, a visszavert fény egy része pedig az egy házban elhelyezkedő pozícióérzékeny szerkezetre (PSD) vagy a CCD kamerára esik. Tárgy 1 távolságától függően a fény a PSD/CCD egy adott pontjára érkezik. Az elemző áramkör a kapott jelet összehasonlítja a korábban beállított működési távolsággal (melyet a beépített potenciométer segítségével adhatunk meg), majd ha a tárgy a megadott távolságon belül helyezkedik el, átkapcsolja a szenzor kimenetét. A közönséges diffúz sugaras érzékelőkkel ellentétben az érzékelési távolság alig függ a céltárgy méretétől, színétől, vagy felületének minőségétől. Ezek az érzékelők gyakorlatilag nem helyettesíthetők más szenzorokkal, ha a hát- vagy előtérhez közel mozgó tárgyak, illetve átlátszatlan folyadékok detektálására van szükség. A háttér elnyomással rendelkező diffúz sugaras érzékelők sötét és világos tárgyakat egyformán jól érzékelnek. Az alábbi ábra a jelentősen eltérő színű tárgyak érzékelési távolságát mutatja. Ebben az esetben a háttér elnyomással rendelkező retro-reflexiós érzékelő érzékelési távolsága fekete papír esetén csekély mértékben kisebb ábra: Diffúz sugaras érzékelők érzékelési távolságának összehasonlítása különböző színű felületek esetén 115

117 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A LED fényforrások és vevők optikai lencsékkel vannak felszerelve, melyek lehetővé teszik az emittált fénysugár és a vevő látómezejének keskenyítését is. Ez korlátozza a szenzor érzékelési tartományát, és ezáltal csökkenti a tartományon kívül elhelyezkedő tárgyakról való reflexiókkal való interferencia lehetőségét. Ezzel egyidejűleg a fény fókuszálása számottevően megnöveli a maximális adó-vevő és adó-reflektor távolságot is. Vannak azonban olyan alkalmazások is, ahol széles látómezőre és kis érzékelési távolságra van szükség, ekkor a fotooptikai elemeket lencsék nélkül (mindössze egy sík, átlátszó ablakkal) használják. 116

118 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelők Az autokollimáció a divergens fény automatikus párhuzamosítása. Ekkor kis sugár átmérő esetén is elég fény jut el a vevőbe. Az autokollimáció lehetővé teszi átlátszó, vagy a szenzorhoz nagyon közel (a standard szenzorok holt terében) elhelyezkedő tárgyak felismerését is. Az autokollimációs elven működő retro-reflexiós érzékelők azt a tényt használják fel, hogy az adó és a vevő csatorna optikai tengelye megegyezik. Ez lehetséges, hiszen a vevő csatornában haladó fényt eltereli egy félig áteresztő tükör, így ez a vevőt az adóhoz képest 90 -al elfordulva éri el. Az ilyen érzékelők különösen reflektorfóliákkal működnek jól ábra: Retro-reflexiós autokollimátoros érzékelő 117

119 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Optikai szálas érzékelők Optikai szálak Az optikai szálak elektromágneses, azaz fényhullámok továbbítására szolgálnak. A legegyszerűbb optikai szál konstrukció egy lapos végű üveg vagy műanyag rúd (ez alkotja a magot), melyet egy alacsonyabb törésmutatójú üveg vagy műanyag vesz körül. Az ilyen optikai szál a teljes belső reflexió jelenségét használja ki, mely két különböző törésmutatójú közeg határán léphet fel. A teljes belső reflexió azt jelenti, hogy a határfelületről a fénysugár energiájának 100%-a visszaverődik az optikai szálba ábra: Fény terjedése optikai szál magjában 118

120 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fénysugár a határfelületről csak akkor verődik vissza, ha nagyobb törésmutatójú közegből halad a kisebb törésmutatójú közeg felé. Ezen túl is csak azok a sugarak haladnak tovább, melyek a szál elejét a kritikus szögnél kisebb szögben érik el. A kritikus szöget a köpeny és a mag törésmutatói határozzák meg. Ekkor, elméletileg, a visszaverődés nem csökkenti a fény energiáját. Azonban mind a magban, mind a köpenyben előfordulhatnak szennyeződések, kisebb hibák, melyek veszteségeket okoznak így csökkentve a szálak átviteli távolságát. Az optikai szálak magjának átmérője 5 µm-től (kvarc esetén) kb. 1 mm-ig (üveg esetén) terjed. A kis átmérők használatának köszönhetően az optikai szálak nagyon rugalmasak, és szinte tetszőlegesen hajlíthatók. Optikai szálas kábelek egy, két vagy akár több optikai szálat is tartalmazhatnak ábra: Egy vagy több szálas optikai kábelek 119

121 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az üveg száloptikai kábelek tartósabbak, mint műanyag társaik alapvetően kb. 250 C-ig használhatók (a műanyag kábelek csak 70 C-ig). Azonban a műanyag száloptikák erősebbek, olcsóbbak, és egyszerűen méretre vághatók. Az üveg optikai szálak mind látható, mind infravörös sugárzást továbbítani tudnak, ezzel szemben a műanyag szálak infravörös fény továbbításának hatásfoka alacsony. Tehát az üveg optikai szálakat látható és infravörös fény továbbítására is használhatjuk, a műanyag szálak pedig csak látható fény vezetésére alkalmasak. A száloptikai kábelek a szereléshez hengeres fém fejjel, vagy egy bifurkátorral vannak ellátva, két típusuk létezik: átmenő sugaras és bifurkált. Az átmenő sugaras kábelek egy magúk, a bifurkáltak pedig vagy dupla, vagy akár több maggal is rendelkeznek ábra: Száloptikai kábelek típusai: a) átmenő sugaras; b) bifurkált 120

122 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Működési elv Az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működési elve megegyezik a többi fotoelektromos érzékelő működésének elvével, kivéve, hogy az emittált és a fogadott fény is optikai szálon keresztül kerül továbbításra. A szál vége nagyon kicsi (néhány mm-es), így nehezen hozzáférhető helyeken, távol az érzékelő opto-elektronikus áramköreitől, önálló erősítővel is elhelyezhető ábra: Száloptikai kábeles érzékelők típusai: a) átmenő sugaras; b) diffúz sugaras 121

123 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Az átmenő sugaras érzékelő esetén két optikai szál helyezkedik el egymással szemben, melyek között fény halad. Ha ezt a sugarat valami megszakítja, a szenzor eseményt, azaz tárgy észlelését jelzi. A bifurkált kábelek esetén az egyik oldalon két köteg kábel helyezkedik el, melyek az érzékelő fej szerepét töltik be. Az egyik kábelköteg a kibocsátott sugár továbbításáért felelős, mely a másik kötegen keresztül tér vissza a vevőbe. A detektor akkor észlel tárgyat, ha az visszaveri a fényt. A szál végének kis mérete apró tárgyak észlelését is lehetővé teszi, valamint a kábel olyan helyekre is elvezethető és felszerelhető, ahova más érzékelőt nem tudnánk eljuttatni. Az optikai szálas érzékelők használhatók robbanásveszélyes területeken, vagy folyadékokban is. Nagyon ellenállóak a mechanikai behatásokkal szemben, és a vibrációra is érzéketlenek, így mozgó gépekre is felszerelhetők. Száloptikás kábelekkel felszerelt érzékelők esetén a fényforrás vörös vagy infravörös LED lehet, a kábel tipikus külső átmérője 2,2 mm, hossza kevesebb, mint 2 m. 122

124 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.6 Csatlakozástechnika Csatlakozási típusok A fotoelektromos érzékelők az alábbi két működési mód egyikében üzemelhetnek: - sötét - világos Sötét üzemmódban az érzékelő kimeneti kapcsolója, ha az adó fénye nem éri el a vevőt, BE állapotban van. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban nyitott kimeneti állapotának felel meg. A világos üzemmódban a kimenet akkor aktív, ha az adó fénye nem éri el a vevőt. Ez az induktív és kapacitív érzékelők alapállapotban zárt kimeneti állapotának felel meg. A szenzor kimentének aktivált állapota és a vevő sötét üzemmódban való kivilágítása közötti kapcsolatot az alábbi ábra szemlélteti. A világos üzemmódban a BE és KI állapotok pontosan ellentétesek az ábrán jelzettekkel ábra: Szenzorok kimeneti állapotai sötét üzemmódban 123

125 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Kimenet átváltása Minden fotoelektromos érzékelő saját karakterisztikus kimeneti állapotot kapcsoló zónával rendelkezik, mely mérete és alakja függ az adó által küldött fénysugár átmérőjétől, és a detektálandó céltárgy szenzortól való távolságától. Átmenő sugaras érzékelők esetén az adó-vevő távolság kritikus. A kimeneti állapot átkapcsolásához a detektálandó tárgynak vagy az adónak a kapcsolási zónán belül kell elhelyezkednie. A szenzorhoz vagy az adóhoz képest mozgó tárgyra vonatkozó kapcsolási zónát válasz diagram formájában ábrázolhatjuk ábra: Átmenő sugaras érzékelők tipikus válasz diagramja 124

126 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Minden érzékelő fontos tulajdonsága a maximális kapcsolási frekvencia a másodpercenkénti maximálisan lehetséges kimeneti állapot kapcsolás, melyet Hz-ben adunk meg. A fotoelektromos érzékelők kapcsolási frekvenciáját válaszadási és/vagy elengedési idejükből számítjuk, melyet az érzékelő gyártója ad meg. A maximális kapcsolási frekvencia f max számításakor feltételezzük, hogy a válaszadási és az elengedési idő megegyezik. f max 3 10 = válaszadási idő + elengedési idő Ekkor f max -ot Hz-ben, a válaszadási és elengedési időket pedig ms-ban adjuk meg. 125

127 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 4.7 Alkalmazások 117. ábra: Szalag belógásának ellenőrzése fotoelektromos érzékelő segítségével 118. ábra: Fényes elemek felismerése retro-reflexiós érzékelők segítségével 126

128 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 119. ábra: Folyadék szintjének ellenőrzése tartályban retro-reflexiós polarizációs érzékelő segítségével 120. ábra: Szerszám törésének felismerése optikai szálas, átmenő sugaras érzékelővel 127

129 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5 Mágneses érzékelők 5.1 Alapok A mágneses érzékelők főként olyan tárgyak detektálására alkalmasak, melyeket el tudunk látni egy-egy mágnessel. Tipikusan ilyenek az ipari vezérlők, melyek zárt típusúak, változó burkolatúak és kis méreteik ellenére széles tartományban működnek. A mágneses érzékelők alaptípusai nem igényelnek tápfeszültséget, közvetlenül rácsatlakoztathatók a meghajtó bemenetekre, de a berendezések irányítását végezhetik attól függetlenül is. Az ilyen szenzorok egy további előnye az alkalmazható átváltási feszültségek és áramszintek széles tartománya, mely akár 1000 V és néhány A fölé is mehet. Az érzékelők általában a detektálandó tárgyakhoz kapcsolódó szilárd mágnesek mágneses mezejére reagálnak. Maguk a tárgyak szinte tetszőleges anyagúak lehetnek, azonban a nem ferromágneses anyagok a szenzor nagyobb működési tartománya miatt jobban megfelelnek. A mágneses mezőre reagáló elem lehet például egy hermetikus elektromos csatoló (reed-relé), valamely félvezető elem (hallotron), egy mágneses ellenállás vagy valamely speciális mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyag. A mágneses mező a legtöbb nem mágneses anyagon áthatol, így a tárgyak detektálása még diamagnetikus akadályok, pl. a detektálandó tárgy és a szenzor között elhelyezkedő műanyag csövek, vagy konténer falak esetén is lehetséges. A mágneses közelítéskapcsolókat egy az X vagy Y irányból közeledő mágnes aktiválja ábra: Mágneses közelítéskapcsoló felépítése 128

130 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.2 Fizikai alapok Mágneses mező A mágneses mező az a hely, ahol mágneses erők hatnak. A mágneses mező mágnesek, áram átjárta vezetők és mozgó elektromos töltések körül van jelen. A mágnesekben a mágnesesség két helyen koncentrálódik: az északi (N az angol north = észak-ból) és a déli (S az angol south = dél-ből) pólusban. Két mágnes esetén az egyik északi pólusa a másik déli pólusát vonzza, és fordítva. Két egyforma pólus (azaz észak-észak, vagy dél-dél) taszítja egymást. A mágneses mező erővonalai zárt görbék, melyek mindig az északi N pólustól a déli S pólus felé vezetnek. A mágnesek által keltett mágneses mező megegyezik az áram átjárta tekercsek által keltett mágneses mezővel. A mágneses mezökre jellemző mennyiségek: - a mágneses mező térerőssége (H), melyet A/m-ben adunk meg, - a mágneses indukció (B), melyet Tesla-ban (T) adunk meg, - a relatív mágneses permeábilitás µ r ábra: Mágneses mező forrásai 129

131 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Minden anyag rendelkezik mágneses tulajdonsággal, azonban a mágneses mezőre való reakciójuk mértéke eltér. Az anyagok mágneses tulajdonságának mértéke a mágneses permeábilitás µ r. Az anyagokat a következő csoportokra oszthatjuk: diamagnetikus, paramagnetikus és ferromagnetikus anyagok. A diamágneses anyagok (µ r < 1) olyan anyagok, melyeket nem vonzanak a mágnesek. Ilyen például az üveg, és a bizmut. A paramágneses anyagok (µ r kicsit nagyobb, mint 1) közé tartozik például az alumínium, a platina és a cink. A legfontosabb csoport a ferromágneses anyagok (µ r >> 1) csoportja, melyek mágneses permeábilitása nagyon nagy. Tiszta vas esetén a mágneses tér erősségétől függően ez az érték elérheti a néhány ezret. A ferromágneses anyagok erősen reagálnak a mágneses mezőre. Jellemző tulajdonságuk, hogy belső szerkezetükben bizonyos területek azonosan magnetizáltak, azaz mágneses domének léteznek. A domének rendeződése után külső mágneses mező hatására a ferromágneses anyag mágnessé válik. Az acél ferromágneses tulajdonságai kémiai összetételétől és a rajta alkalmazott hőkezeléstől függ. a) b) 123. ábra: Domének orientációja ferromágneses anyagban: a) nem magnetizált ferromágneses anyag; b) külső mágneses mező által magnetizált ferromágneses anyag 130

132 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Külső mágneses mezőbe helyezett ferromágneses anyagok a mágnese mező irányától függően magnetizálódnak, illetve de-magnetizálódnak. Ez a jelenség hiszterézises, a hiszterézis alakja a ferromágneses anyag tulajdonságaitól függ. A széles, elhúzódó hiszterézis görbe az anyag nehéz de-magnetizálhatóságára utal. Az ilyen ferromágneses anyagokat kemény ferromágneses anyagoknak nevezzük, ezeket permanens mágnesként használhatjuk. Ilyen anyagok például a Fe-Co, Ni-Co ötvözetek és a kemény ferritek. A lágy ferromágneses anyagok (keskeny hiszterézis görbe) mágneses magnak alkalmasak, melyeknek gyorsan magnetizálódnak és de-magnetizálódnak. Ilyenek például a vas, a Fe-Si, Fe-Al ötvözetek és a lágy amorf ötvözetek. Az anyagok fent tárgyalt mágneses tulajdonságai, és külső mágneses térben való viselkedésük teszi lehetővé a mágneses érzékelők létrehozását. Vákuumban a mágneses mezőt a mágneses indukció vektorral (B 0 ) jellemezzük. Egy adott anyag B mágneses indukcióját az alábbi képlet alapján számítjuk: B = µ r B ábra: Ferromágneses anyagok mágneses hiszterézis görbéi: a) kemény; b) lágy 131

133 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Reed kapcsoló A reed kapcsoló egy hermetikusan lezárt üveg gömbből áll, melyben vákuum vagy valamely semleges gáz, valamint két vékony, beágyazott ferromágneses anyagú lemez található. Külső mágneses mező hatására a lemezek saját mágneses teret indukálnak. Az egyik lemez az északi N, a másik pedig a déli S pólussá válik. Ha a két pólust egymáshoz vonzó erő meghaladja a két lemez rugalmas erejét, összeérnek, és létrejön a kontaktus. A mágneses mező megszűnésekor megszűnik a mágneses vonzás, és a rugalmas erő következtében a két lemez szétválik. Az ilyen kapcsolók működésének javítása és a stabil működési karakterisztika elérése érdekében a két kontaktus csúcsa a működési körülményektől függően valamely nemesfém (pl. ruténium, ródium vagy arany) bevonattal van ellátva. A reed kapcsoló állapota egy mágnes segítségével megváltoztatható, azaz zárható vagy nyitható. A reed kapcsoló minden nyitása illetve zárásakor elektromos kontaktus jön létre, azaz töltések áramolhatnak. Ez a kapcsoló hibás működéséhez és meghibásodásához vezethet. További óvintézkedések tovább csökkentik a reed kapcsoló felületeinek degradálását, és ezzel meghosszabbítják annak életét. A reed kapcsoló (érzékelő) átváltási frekvenciája annak típusától és anyagi tulajdonságaitól függ. Általában nem haladja meg a Hz-et. A kontaktusokon legfeljebb 3 A áram folyhat ábra: Reed kapcsoló: a) sematikus ábra; b) reed kapcsoló mágneses mezőben; c) a reed kapcsoló védelme 132

134 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A reed kapcsoló három zárható kontaktussal rendelkezik (A, B és C). Ez azonban nem azt jelenti, hogy minden alkalommal, amikor mágnes közelít felé, a kontaktusok zárnak, ugyanis ez a mágnes mágneses tengelyének a reed kapcsoló tengelyéhez képesti orientációjától függ. Ha a két tengely egymással párhuzamos, mindhárom kontaktus zár. Két kontaktus (A és C) zár, ha a mágnes és az érzékelő tengelye egymásra merőleges. A kapcsoló tengelyére merőleges irányba haladó mágnes esetén csak akkor zár kontaktus, ha a mágnes pontosan valamely aktív zóna felett halad el. Két ilyen hely létezhet: A és C. ON ON ON ON ON A B C A C 126. ábra: Alapesetben nyitott (KI) állapotú reed kapcsoló záródó kontaktusainak száma, ha a mágnes a kapcsoló tengelye mentén mozog 133

135 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Hall effektus A Hall-effektus az az Edwin Hall által 1879-ben felfedezett jelenség, mely szerint, ha egy vezetőben áram folyik, és azt mágneses térbe helyezzük, akkor az elektronokra Lorentz-erő hat, ami azzal jár, hogy a vezető két oldalán feszültségkülönbség alakul ki. Ezt a feszültséget Hall-feszültségnek nevezik (V H ). A kialakuló mágneses mező merőleges mind az eredeti B mágneses mezőre, mind pedig az I c áram irányára, és a legerősebben akkor lép fel, ha a külső (eredeti) mágneses tér merőleges az áram haladásának irányára. Az alábbi ábrán látható lemez esetén: V H = R H B I C / d, ahol: R H d Hall állandó (mely az energiahordozók mobilitását adja meg) lemez vastagsága Gyakorlati alkalmazások esetén igen magas V H feszültség szükséges. Ez megoldható, ha nagyon vékony, nagy elektronmobilitású anyagból készült lemezt alkalmazunk. Ilyen anyag kizárólag vékonyréteg technikával előállított félvezető lehet (kb. 0,1 mm vastagságú anyagok). Ezek a félvezetők általában InSb, InGaAs, Si, vagy GaAs típusúak. A V H feszültség értéke emelhető lenne a lemezen átfolyó áram értékének növelésével, azonban ezt erősen korlátozza a lemezben disszipálható energia mennyisége, mely elsősorban a lemez alakjától és kialakításától függ. A Hall effektust manapság számos területen, többek között mágneses érzékelőként is alkalmazzák ábra: Hall effektus 134

136 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Magnetorezisztív hatás A magnetorezisztorok anizotróp félvezető elemek, melyek ellenállása nagymértékben függ a külső mágneses tértől. Ezeket az elemeket vékony ferromágneses permalloy (20% Fe, 80% Ni) csíkokból készítik. A félvezető anyag magnetorezisztanciájának növekedése a külső mágneses tér (H) eredménye, mely α szöggel megváltoztatja az I áram haladásának irányát. Ez megnöveli az elektromos töltéshordozók útját, mely a félvezető anyag ellenállásának növekedésével egyenértékű. Az elfordulás szöge a mágneses mező intenzitásának növekedésével nő. Ezt a jelenséget magnetorezisztív effektusnak nevezik. Különböző anyagok különbözőképpen reagálnak a fenti hatásra: fémekben gyakorlatilag nem létezik, félvezetőkben pedig különböző mértékben van jelen. Az áram útjában elhelyezett arany és alumínium elektródák megváltoztatják annak útját, ennek eredményeképpen pedig az α szög, a töltéshordozók útja és így az R M ellenállás tovább növekszik. A mágneses mező kikapcsolása után a félvezető ellenállása ismét eredeti értékét (R M0 ) veszi fel. A H mágnese mező intenzitásából származó α szög és a félvezető R M ellenállása közötti kapcsolat lehetővé teszi a mágneses tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálását. Permalloy 128. ábra: Magnetorezisztív hatás 135

137 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Wiegand effektus A Wiegand effektus a külső mágneses tér változásainak eredményeképpen egy egyedi mágneses tulajdonságokkal (impulzus vezető) rendelkező ferromágneses vezetőre feltekert tekercs meneteiben létrejövő elektromos impulzus. Az impulzus vezetők kb. 0,3 mm átmérőjű ferromágneses anyagból készülnek, melyeket a megfelelő feszültségállapot létrehozása érdekében hidegen többszörösen megcsavarnak. Ez a kobalt, vas és vanádium ötvözetéből készült vezető két mágneses tulajdonságok szempontjából eltérő tartománnyal rendelkezik: ez a mag és a köpeny. A mag lágy (keskeny hiszterézis), míg a köpeny kemény (széles hiszterézis) mágneses tulajdonságú. A két eltérő mágneses tulajdonságú rész a külső mágneses mező változásaira különbözőképpen válaszol. A lágy mágneses magban a mágnesezettség iránya gyorsabban változik, mint a kemény mágneses köpeny esetén. Amikor a mágneses mező változása köpeny változatlan mágnesezettsége mellett a lágy magban a mágnesezettség változását eredményezi, az impulzus vezető köré tekert tekercsben egy rövid (10-20 µs) elektromos impulzus jön létre. A feszültség-impulzus amplitúdója közel független a mágneses mező irányváltozásának sebességétől. A mágnesezettség irányának megváltoztatásához a mag esetén átlagosan háromszor gyengébb mágnese mezőre van szükség, mint a köpeny esetén. Ezt a Wiegand effektus néven ismert jelenséget mozgó vagy forgó tárgyak mágneses érzékelőkkel való detektálásakor használják ábra: Wiegand effektus: a) impulzus vezető tekerccsel; b) feszültség-impulzus a külső mágneses mező irányának megváltozása előtt és után 136

138 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.3 Reed kapcsolós mágneses érzékelők Ezen érzékelő működésének elve, hogy a reed kapcsoló közeledő mágnesekre reagál. A mágnes által keltett mágneses mezőben a reed kapcsoló érintkezői mágneseződnek, majd amint a két kontaktus közötti vonzóerő meghaladja a rugalmas mechanikai erőt, az érzékelő állapota megváltozik, az áramkör zár. Amint a mágneses mező eltűnik az érzékelő működési tartományából, a kontaktusokat egymáshoz vonzó erő megszűnik, és a rugalmas erő következtében az érzékelők eltávolodnak egymástól, az áramkör ismét kinyit. A reed kapcsolós érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. A reed kapcsoló kontaktusai, ha nincs a közelükben mágneses mező, típustól függően alapesetben nyitottak (NO) vagy a két lehetséges állapot NO vagy NC (alapállapotban zárt) egyikében találhatók. Minden mágnes mágneses teret kelt, melynek intenzitása a mágnes anyagi tulajdonságaitól és méretétől függ. Ez a mágneses mező határozza meg az érzékelő maximális működési távolságát (S max ). a) KIMENET b) ON OFF ON OFF S S N N H S max 130. ábra: Reed kapcsolós mágneses érzékelő; a) érzékelő és kimeneti állapotai sematikus ábrázolása; b) működési távolság: S max, H: hiszterézis 137

139 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A mágneses mező vonzásának nagysága az érzékelő longitudinális és transzverzális front lapja közötti távolságtól függ. A reed érzékelő működési karakterisztikájának megfelelően egy mágnes a reed érzékelő tengelyével párhuzamos tengely mentén való elhaladásakor három BE (ON) állapotú kimeneti zónának kell léteznie. A mágnes és az érzékelő egymáshoz képesti megfelelő elhelyezkedése esetén egy illetve két átkapcsolási zónával rendelkező érzékelőt kaphatunk. A mágnes y-irányú közeledése vagy távolodása esetén azonban minden esetben csak egy KI (OFF)-BE (ON) vagy BE (ON)-KI (OFF) váltás történik. S N S N S N 131. ábra: Reed kapcsolós mágneses érzékelő átváltási tartományai a mágnes helyzetétől és orientációjától függően 138

140 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A mágneses reed érzékelők a legkülönbözőbb házakban, foglalatokban helyezkedhetnek el, a spektrum a legegyszerűbbtől (hengeres, prizmás) a komoly, komplex geometriai formákig terjed. A ház alakját az adott alkalmazás, azaz a mágnes várható mozgása határozza meg. Léteznek érzékelők, ahol a mágnes mindössze a szenzor előlapja előtt haladhat el, azonban léteznek olyanok is, ahol az érzékelő oldala menti mozgás is észlelhető. A reed kapcsolós érzékelők három vezetékesek, de léteznek jelző dióda nélküli, két vezetékes változatok is. A kimeneti állapot maximális átváltási frekvenciája alacsony (<250 Hz), a szenzoron átfolyó áram pedig nem haladja meg a 3 A-t. Az alacsony ármerősségek mellett ezek a szenzorok több, mint 1000 V-on üzemelő berendezéseket is kapcsolhatnak. 139

141 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.4 Hall effektuson alapuló mágneses érzékelők A Hall effektuson alapuló érzékelők a félvezetőkben fellépő Hall effektust használják ki, kimeneti állapotuk a külső mágneses mező függvényében változik, mely a szenzorban az U H Hall feszültséget hozza létre. Az érzékelőt DC tápfeszültség működteti, mely átfolyik a félvezető lapkán (hallotron). Amíg a mágnes kívül esik a szenzor érzékelési tartományán, a feszültség akadály nélkül haladhat át a hallotronon, mely szélei közötti potenciálkülönbség ekkor nulla (V=0). Amint a mágnes belép az érzékelési tartományba, mágneses mezeje következtében a hallotron szélein Hall feszültség lép fel (V=V H ). Ez a feszültség a mérési jel, mely az érzékelő kimeneti tranzisztorát vezérli. Az érzékelők általában három vezetékesek, melyeket 5 V és 30 V közötti DC feszültség lát el. A kimeneti állapot maximális átváltási frekvenciája magas, meghaladhatja a 300 Hz-et is. A szenzoron átfolyó maximális áram általában 1 A alatti. Az érzékelőket gyakran omnipoláris kivitelben gyártják, azaz a mágneses mező tetszőleges polarizációjára reagálnak, de lehetséges unipoláris (csak egy polarizációs irányra válaszol) vagy bipoláris (a kikapcsolást az ellentétes pólus megjelenése indítja) változat is ábra: Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő 140

142 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.5 Speciális mágneses érzékelők Magnetorezisztív érzékelők A magnetorezisztív érzékelő felépítése hasonlít a Hall effektuson alapuló érzékelők felépítésére, egyedül a mágneses mező változásaira érzékeny elem tér el. A magnetorezisztív érzékelőkben a mágneses mező változására érzékeny elem általában négy, Wheatstone hídkapcsolásba rendezett magnetorezisztorból (R M 1-R M 4) áll. Az elektródák helyes orientációjára mindenképpen ügyelni kell. Ebben az esetben a hőmérsékletváltozás hatásának kiküszöbölése lehetséges, a kimeneti jel pedig kétszer akkora, mint egyetlen magnetorezisztor esetén. Ha az érzékelőhöz egy mágnes közelít, megváltozik a szenzor ellenállása. Ez a változás a magnetorezisztív hatás eredménye, a mérő híd pedig elveszti egyensúlyi állapotát, mégpedig a mágneses mező intenzitásának függvényében ábra: Magnetorezisztív érzékelő: a) sematikus ábrázolás; b) Wheatstone híd magnetorezisztorokkal 141

143 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Wiegand mágneses érzékelők A Wiegand mágneses érzékelő működése az impulzus vezető mag polarizációja változásának észlelésén alapul. A mag mágnesezettségének irányát külső mágnese mező segítségével lehet megváltoztatni. Irányát változtató mágnese mező kicsi, mobil vagy állandó helyzetű mágnesek segítségével hozható létre. Ekkor az impulzus vezető -re egy N/S polarizáltsági irányú mágneses mező hat, melyet egy S/N polarizáltságú mező vált fel. A külső mágneses mező polarizáltságának változása az impulzus vezető köré tekert tekercsben feszültség-impulzust hoz létre. Ez az impulzus kerül közvetlenül, vagy feldolgozás után a kimenetre. A második lehetőség a mágnesezettség irányának megváltozására az impulzus vezető mozgatása először egy N/S polarizáltságú, majd egy S/N polarizáltságú mágnes előtt. Ekkor a mágnesek és a tekercs találhatók az érzékelőben, és az impulzus vezető mozog az érzékelőhöz képest ábra: Wiegand mágneses érzékelő működésének lehetőségei: a) mozgó mágneses mező; b) mozgó impulzus vezető 142

144 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos A fent tárgyalt működési lehetőségek mellett további lehetőség egy állandó helyzetű, az érzékelő fejében az impulzus vezetőre tekert tekerccsel együtt elhelyezkedő konstrukció. Ebben az esetben a mágneses mező irányának megváltozását egy ferromágneses anyag a szenzor közelében való elhaladása triggereli. Ez a megoldás például a szenzor előtt elhaladó ferromágneses anyagú tárgyak számlálásakor használatos. További alkalmazás lehet fogaskerék forgási sebességének mérése. Ekkor az impulzus vezetőben a fluxus kétszer olyan gyakran fordul meg, mint ahány fogaskerék fog elhalad az érzékelő előtt. A Wiegand érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Általában két vezetékes kiszerelésben gyártják őket, és tökéletesen megfelelnek a nehéz működési körülmények közötti használatra. Az érzékelő által keltett impulzusok frekvenciája nagy (akár 20 khz fölött), a kimeneti feszültség-impulzus pedig néhány V-os. 143

145 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos Mágneses érzékelők permanens mágnesekkel A legegyszerűbb mágneses érzékelők egy permanens mágnes köré tekert tekercsből állnak. Valamely a szenzorhoz közelítő ferromágneses anyag megváltoztatja a tekercsbe behatoló mágneses mezőt, és így a tekercs végein feszültség keletkezik. Az ilyen mágneses érzékelők ferromágneses anyagok mozgását detektálják. Nem alkalmasak azonban álló helyzetű tárgyak észlelésére, mivel a kimeneti feszültség a detektálandó tárgy mozgásának sebességétől függ. Az ilyen egyszerű érzékelőkben keletkező feszültségek kicsik, ezért a kimeneti állapot átváltásához a jel felerősítésére van szükség. A céltárgy sebességének csökkenésével a kimeneti feszültség is csökken. Álló tárgyak esetén a feszültség nulla. Az ilyen érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Felbontásuk nagy, lényegesen meghaladja a Hall effektuson alapuló érzékelők felbontását. A felbontás forgó mozgás mérése esetén század szög finomságú is lehet ábra: Mozgó ferromágneses tárgyak detektálására szolgáló érzékelő 144

146 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.6 Szerelési követelmények A mágneses érzékelőket tetszőleges nem ferromágneses anyagú tárgyra vagy tárgyba szerelhetjük. A szenzor adott felülettől mért magassága figyelmen kívül hagyható, akár a felülettel egy szintben is elhelyezkedhet. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra kell szerelnünk, lehetőség szerint minél inkább távolítsuk el az anyag felületétől. Ajánlott valamely nem mágneses (dielektromos) szigetelő réteg használata is, mely az érzékelőt elválasztja a ferromágneses anyagtól. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra szereljük, figyelembe kell venni, hogy ez a mágneses mező erősségét befolyásolhatja. A mező intenzitása nő, ha a szenzort a ferromágneses anyag külső felületére szereljük. Ezzel szemben az intenzitás csökken, ha az érzékelőt beágyazzuk a ferromágneses anyagba. Ennek megfelelően változik a szenzor érzékelési távolsága is. Az érzékelő és a mágnes között esetlegesen elhelyezkedő nem ferromágneses anyag a mágneses érzékelő működését nem befolyásolja. Ezzel ellentétben, ha az érzékelő és a mágnes közé ferromágneses anyagot helyezünk, a kimeneti állapot megváltozik, azaz ebben az esetben ez befolyásolja a működést ábra: Ferromágneses és nem ferromágneses anyagok hatása a mágneses érzéklőre 145

147 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 5.7 Alkalmazások A mágneses érzékelőket többek között az alábbi területeken alkalmazzák: - Detektálandó céltárgy műanyag fal túloldalán (csőben vagy konténerben). - Céltárgyak észlelése agresszív környezetben, védő burkolaton keresztül. - Céltárgyak észlelése magas hőmérsékletű környezetben. - Mozgó és forgó tárgyak észlelése ábra: Dugattyú pozíciójának érzékelése nem mágneses testben mágneses reed érzékelő segítségével 138. ábra: Fogaskerék forgási sebességének mérése Wiegand érzékelővel 146

148 Mechatronikus komponensek Jegyzet Minos 139. ábra: Szöghelyzet felismerése Hall effektuson alapuló érzékelő segítségével 140. ábra: Forgási sebesség mérése magnetorezisztív érzékelő segítségével 147