Mechatronika Modul 5-8

Átírás

1 Mechatronika Modul 5-8 Munkafüzet Oktatói segédlet Mechatronikus komponensek Mechatronikus Rendszerek és funkciók 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 Munkafüzet (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 Munkafüzet Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Fizikai alapok 1. Feladat Induktív érzékelők esetén mi hozza létre a változó mágneses teret? Hogyan változik az LC rezgőkörökben tárolt energia? Hogyan keletkezik az oszcilláció az LC rezgőkörben? Hogyan tartható fenn az oszcilláció? Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben áram vagy feszültség rezonancia alakuljon ki? Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben rezgések alakuljanak ki? 3

5 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 1.2 Alapkonstrukció 2. Feladat Hogyan épül fel az induktív érzékelő aktív része? Az induktív érzékelő hogyan határozza meg a tekercs és a detektált tárgy távolságát? Mi a hiszterézis? Miért előnyös, ha az induktív szenzor hiszterézises? Adja meg az induktív érzékelő működési frekvenciatartományát! Mekkora az induktív érzékelő működési távolsága, és milyen házakba épül be? 4

6 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát? Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van definiálva? Mi a valós érzékelési távolság? Mi szenzor működési távolsága? Milyen faktorok befolyásolják az induktív érzékelő működési tartományát? Induktív érzékelők esetén milyen szerepet játszik a redukciós tényező? 5

7 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Az érzékelő kialakítása hogyan befolyásolja annak érzékenységét? Milyen szabályokat érdemes betartani árnyékolt érzékelők egymáshoz közeli felszerelésekor? Milyen szabályokat érdemes betartani árnyékolatlan érzékelők egymáshoz közeli felszerelésekor? Mit értünk az érzékelő kimenetének maximális átváltási frekvenciáján? A szabványos laptól elérő tárgyak esetén milyen maximális átváltási frekvencia értékekre számíthatunk? 6

8 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 1.3 Speciális szenzorok 3. Feladat Ismertesse a gyűrű-érzékelők működésének elvét! Léteznek korlátozások a gyűrű-érzékelők által észlelhető tárgyak méretére vonatkozólag? Léteznek korlátozások a gyűrű-érzékelők által észlelhető tárgyak pályájára vonatkozólag? Milyen negatív hatással lehetnek az erős mágneses terek az induktív érzékelők működésére? Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben? Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő induktív érzékelőket? 7

9 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Nevezzen meg néhány különleges működési körülményre tervezett érzékelő típust! Milyen jellemzőkkel kell rendelkezniük a magas nyomáson működő induktív érzékelőknek? A bistabil gyűrű-érzékelők hogyan határozzák meg a mozgás pályáját? Mutassa be a NAMUR induktív érzékelők működésének elvét! Sorolja fel a NAMUR induktív érzékelők fő jellemzőit! A NAMUR induktív érzékelők milyen működési körülmények között használhatóak? 8

10 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Mutassa be az induktív analóg érzékelők felépítését! 1.4 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 4. Feladat Az egyenfeszültség mekkora ingadozása engedhető meg induktív érzékelők esetén? Hogyan védjük a szenzort a tápfeszültség hirtelen csúcsai ellen? Az egyenfeszültségű szenzorok milyen típusait ismeri? Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között? Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása? 9

11 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Váltófeszültségű érzékelők esetén lehetséges, hogy kikapcsolt állapotban is folyik áram? Milyen célt követünk az érzékelők csoportokban történő használatával? A sorba kapcsolt érzékelők milyen logikai függvényt realizálnak? Mi határozza meg a maximálisan sorba kapcsolható érzékelők számát? A párhuzamosan kapcsolt érzékelők milyen logikai függvényt realizálnak? Mi határozza meg a maximálisan párhuzamosan kapcsolható érzékelők számát? 10

12 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 1.5 Biztonság és védelem Két vezetékes szenzorok kapcsolhatók párhuzamosan? 5. Feladat Az egyenfeszültségű érzékelők kimenetei mely nem-kívánatos hatásoktól védettek? A DC érzékelők kimenetének esetleges rövidzárlata veszélyezteti a szenzor működését? Mikor szükséges az érzékelő árnyékolásának földelése? Milyen óvintézkedéseket kell tennünk az érzékelő elektromos áramköreiben fellépő szivárgási áramok kiküszöbölésére? 11

13 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 2 Kapacitív érzékelők 2.1 Alapok 1. Feladat A kapacitív érzékelők milyen anyagú céltárgyak detektálására alkalmasak? Az alább felsorolt anyagok melyikét detektálhatjuk kapacitív érzékelővel? 1. Acél 2. Réz 3. Gumi 4. Ébenfa 5. Víz 6. Müzli 7. Hidrogén Sorolja fel a kapacitív érzékelők fő alkotóelemeit! Mely elem az aktív elem? Mekkora a kapacitív érzékelők működési tartománya? 12

14 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 2.2 Fizikai alapok 2. Feladat A kondenzátor kapacitása az elektródák közötti távolsággal arányosan nő? Hogyan készíthetünk nyitott kondenzátort? Milyen szerepet játszik az indirekt elektróda? Mi történik, ha a nyitott kondenzátor mezejébe vezető ill. nem-vezető anyagot helyezünk el? Mely faktorok befolyásolják a kondenzátor kapacitását? 13

15 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 2.3 Alapkonstrukció 3. Feladat A kapacitív érzékelő vezető vagy nem-vezető anyagból készült céltárgyat detektál könnyebben, és miért? A céltárgyak földelése befolyásolja az érzékelő működését? Kapacitív érzékelők esetén milyen szerepet játszik a potenciométer? Definiálja a kapacitív érzékelő kalibrálására használatos szabványos céltárgyat! Hogyan definiáljuk az érzékelő megbízható működési távolságát? Mitől függ az érzékelő kapacitív szerkezete? 14

16 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 2.4 Szenzor típusok 4. Feladat A kapacitív érzékelők általában milyen formában léteznek? Milyen hengeres érzékelő típusok léteznek? Hogyan határozzuk meg az érzékelő valós érzékelési távolságát? Mitől függ a szerves anyagok észlelésének távolsága? Két kapacitív érzékelőt egymástól milyen távolságban szerelhetünk fel? 15

17 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 2.5 Interferencia kompenzáció 5. Feladat Réz és acél esetén különbözik az érzéekelési távolság? Mely anyagot könnyebb érzékelni, vizet vagy olajat? A szennyeződések hogyan befolyásolják az érzékelő működését? Lehetséges a szennyeződések hatásának csökkentése? Hogyan eliminálhatjuk a külső elektromos mezők hatását? 16

18 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Fizikai alapok 1. Feladat Hogyan terjed a hang a levegőben? Hogyan definiáljuk a hanghullámok hullámhosszát? Hogyan számíthatjuk ki egy akadály és a hang forrásának távolságát? Ismertesse a piezoelektromos hatást! Írja le a piezoelektromos anyagok viselkedését magas hőmérsékleten! Hogyan kelthetünk hanghullámokat? 17

19 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Az ultrahangos érzékelők mely frekvencia-tartományban működnek? Milyen alakot vesz fel a hanghullám haladása során? Mely faktorok határozzák meg a hanghullám terjedési területének méretét és a kúp nyílásszögét? Hogyan határozhatjuk meg az ultrahang-hullám átmérőjét? 3.2 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve 2. Feladat Mutassa be az ultrahangos érzékelők működési módozatait! Az ultrahangos érzékelővel történő mérés milyen szakaszokra osztható? 18

20 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Lehetséges, hogy ugyanaz az átalakító adóként és vevőként is működjön? Sorolja fel az ultrahangos érzékelő fő komponenseit! Az ultrahangos érzékelők mennyire érzékenyek a külső hangok által keletkező interferenciára? Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területei! A céltárgy anyagi minősége hogyan befolyásolja az ultrahangos érzékelők érzékenységét? Ismertesse az egy piezoelektromos átalakítóval rendelkező ultrahangos érzékelő működését! 19

21 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Hogyan iktathatjuk ki a háttér hatását? Mi okozza a holtteret? Lehetséges az ultrahangos érzékelők érzékelési tartománya alsó határának meghatározása? Milyen nyílásszögű érzékelők léteznek? Hogyan definiáljuk az ultrahangos érzékelő működési tartományának meghatározására használandó szabványos tárgyat? Ismertesse az ármenő sugaras érzékelők működési elvét! 20

22 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 3.3 Lehetséges hibák Hogyan keletkezik a hang az átmenő sugaras szenzorok esetén? Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit! Az átmenő sugaras vagy a diffúz sugaras érzékelő típus rendelkezik nagyobb kapcsolási frekvenciával? 3. Feladat Mely fizikai faktorok befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? A hőmérséklet változása hogyan befolyásolja a szenzor működését? Milyen szerelési körülmények befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? 21

23 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Zavarhatják egymást az érzékelők? Hogyan kerülhetjük el az egymáshoz közel felszerelt ultrahangos érzékelők kölcsönös interferenciáját? 3.4 Speciális ultrahangos érzékelők 4. Feladat Ismertesse a reflexiós ultrahangos érzékelők működési elvét! Mely detektorok érzékenyek a hanghullám megszakítására? Hogyan működnek azok a szenzorok, melyeknél egy házban két átalakító működik? Távolságmérés eetén szükség van speciális szenzorokra? 22

24 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 4 Fotoelektromos érzékelők 4.1 Fotoelektromos komponensek Fizikai alapok 1. Feladat A fotoelektromos érzékelők az elektromágneses sugárzás mely tartományát használják? Magyarázza el, hogy a fény különböző felületektől hogyan verődik vissza! Magyarázza el a fénytörés jelenségét! Fényemittáló elemek és detektorok 2. Feladat A fotoelektromos érzékelőkben milyen emittereket használunk? Magyarázza el az elektroliuminencia jelenségét! 23

25 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Mi határozza meg a LED lumineszcenciájának erősségét? Mi határozza meg a LED által kibocsátott fény színét? Mikor használunk látható, és mikor láthatatlan infravörös fényt emittáló érzékelőket? Mi a LED házát lezáró lencse feladata? Milyen előnyökkel bírnak a lézerdiódák a LED-ekkel szemben? Miben különbözik a lézer dióda és a LED karakterisztikája? 24

26 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos A fotódetektorok mely típusait ismeri, és ezek milyen szerepet játszanak a fotoelektromos érzékelők esetén? Hogyan definiáljuk a fotódetektor válaszadási (fényimpulzusra való reagálás) idejét? Mi a különbség a hagyományos fotodióda és a PIN fotodióda között? A pozícióérzékeny detektorok hogyan határozzák meg a fénypont helyét? A CCD kevésbé érzékeny a külső zavaró hatásokra, mint a pozícióérzékeny detektor? Miben tér el egy tranzisztor és egy fotótranzisztor felépítése? 25

27 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 4.2 Alapvető érzékelő típusok 3. Feladat Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét! Mutassa be az átmenő sugaras érzékelők tulajdonságait! Milyen céltárgyakat képesek detektálni? Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét! Ismertesse reflektorok és a fényvisszaverő lapok felépítését! Mi korlátozza az effektív fénysugarat? 26

28 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 4.3 Jelfeldolgozás Ismertesse a diffúz sugaras érzékelő működési elvét! Mutassa be a diffúz sugaras érzékelők tulajdonságait! Hogyan határozzuk meg a diffúz sugaras érzékelők maximális érzékelési távolságát? 4. Feladat Milyen faktorok zavarhatják a fotoelektromos érzékelők működését? Az érzékelők mely típusa a legérzékenyebb a zavaró tényezőkkel szemben? Milyen előnyei vannak a fénymodulációnak? 27

29 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Ismertesse a fény polarizációjának jelenségét! Fotoelektromos érzékelőkben hogyan használják a polarizált fényt? Hogyan polarizáljuk a fényt? A polarizált fény tárgyak felületéről hogyan verődik vissza? Fotoelektromos érzékelők esetén mit értünk működési többlet -en? Mekkora működési többletet használjunk? 28

30 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Mi a holt tér? 4.1 Speciális érzékelők Definiálja a szenzor válaszadási idejét! 5. Feladat Mi a különbség a polarizációs és a hagyományos retroreflexiós érzékelők között? Milyen lehetőségek állnak rendelkezésre az elő- és a háttér elnyomására? Milyen üzemmódok lehetségesek elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők esetén? Milyen szenzorokat használunk triangulációs érzékelők esetén? 29

31 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Mi az autokollimáció? Az autokollimátoros retro-reflexiós érzékelők a hagyományos érzékelőkhöz képest milyen kiegészítő tulajdonságokkal rendelkeznek? Ismertesse az optikai szálak felépítését! Magyarázza el a teljes visszaverődés jelenségét! A gyakorlatban miért nem használhatunk végtelen hosszúságú optikai kábeleket? Mi a különbség az üveg és a műanyag optikai szálak között? 30

32 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 4.2 Csatlakozástechnika Ismertesse az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működésének elvét! 6. Feladat A fotoelektromos érzékelők mely üzemmódokban működhetnek? Mely faktorok befolyásolják az érzékelő kimenetének kapcsolási tartományának alakját és méretét? 31

33 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 5 Mágneses érzékelők 5.1 Fizikai alapok Mágneses mező 1. Feladat A mágneses mező milyen forrásai létezhetnek? Milyenek az erővonalak? A mágneses mező mely fizikai mennyiségekkel írható le? Az anyagok mágneses tulajdonságaik alapján mely csoportokra oszthatók? Magyarázza el a ferromágneses anyagok mágnesezhetőségének jelenségét! Mi a lágy és a kemény mágnes? 32

34 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Reed kapcsoló 2. Feladat Hogyan épül fel a reed-kapcsolós érzékelő? Mi indokolhatja a kapcsolók használata esetén ajánlott különleges védelmet? Mi a reed kapcsoló maximális átváltási frekvenciája? A mágnes helyzetének megváltozásakor mi határozza meg, hogy a kapcsoló hány kontaktusa zár? Érzékelőkben alkalmazott mágneses jelenségek 3. Feladat Mi a Hall effektus? Hogyan növelhető a Hall feszültség? 33

35 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Miért változik meg mágneses mező hatására a félvezető anyagok magnetorezisztanciája? Mi a magnetorezisztív szalagra applikált elektródák szerepe? Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az impulzus vezetők? Ismertesse a Wiegand-effektust! Az impulzus vezetők két tartománya hogyan reagál a mágneses mező változásaira? Az impulzus vezető tekercsében mikor jelenik meg mágneses impulzus? 34

36 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 5.2 A mágneses érzékelők alapvető típusai 4. Feladat Mely elemek érzékenyek a mágneses tér változásaira? Milyen előnyei vannak a mágneses érzékelőknek? A mágneses szenzorok érzékelik a műanyag fal mögött elhelyezkedő tárgyakat? A mágneses érzékelők milyen anyagi minőségű céltárgyak detektálására alkalmasak? A mágneses érzékelők milyen főbb elemekből épülnek fel? Ismertesse a reed kapcsolós érzékelők működésének elvét! 35

37 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos Ha nincs a közelben mágneses mező, milyen kimeneti állapot jellemző a reed kapcsolóra? A reed kapcsolós érzékelők hány aktív felülettel rendelkeznek? Mely faktorok befolyásolják a reed kapcsolós érzékelők működési tartományának méretét? A reed kapcsolós kimenete hány vezetékből áll? Ismertesse a Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő működési elvét! Az érzékelők a mágneses mező minden irányváltozására reagálnak? 36

38 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 5.3 Speciális mágneses érzékelők 5. Feladat Ismertesse a Wiegand érzékelő működési elvét! Hogyan hozható létre irányát megváltoztató mágneses mező? A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó mágneseket? A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó impulzus vezetőt? A Wiegand érzékelő igényel tápfeszültséget? A permanens mágnessel rendelkező érzékelők mely eleme érzékeny a mágneses mezőre? 37

39 Mechatronikus komponensek Munkafüzet Minos 5.4 Szerelési követelmények A permanens mágnessel rendelkező érzékelők mit detektálnak? A permanens mágnessel rendelkező érzékelő igényel tápfeszültséget? Mely faktorok befolyásolják a permanens mágnessel rendelkező érzékelők kimenetét? 5. Feladat Befolyásolja a mágneses érzékelők működését az, hogy milyen anyagi minőségű tárgyra szereljük őket? Befolyásolja az érzékelő működését, ha a szenzor és a mágnes közé valamely vékony elemet helyezünk? Sorolja fel a mágneses érzékelők főbb alkalmazásait! 38

40 Mechatronika Modul 6: Mechatronikus Rendszerek és funkciók Munkafüzet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország 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.

41 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Alapkonstrukció 1. Feladat Hogyan épül fel az induktív érzékelő aktív része?. Az induktív érzékelő hogyan határozza meg a tekercs és a detektált tárgy távolságát?. Mi a hiszterézis?. Miért előnyös, ha az induktív szenzor hiszterézises?. Adja meg az induktív érzékelő működési frekvenciatartományát!. 3

42 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Mekkora az induktív érzékelő működési távolsága, és milyen házakba épül be?. Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát?. Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van definiálva?. Mi a valós érzékelési távolság?. Mi szenzor működési távolsága?. 4

43 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Milyen elemek befolyásolják az induktív érzékelő működési tartományát?. Induktív érzékelők esetén milyen szerepe van a redukciós tényezőnek?. Az érzékelő kialakítása hogyan befolyásolja annak érzékenységét?. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolt érzékelők felszerelésekor?. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolatlan érzékelők felszerelésekor?. 5

44 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 1.2 Speciális szenzorok Mit értünk az érzékelő kimenetének maximális átváltási frekvenciáján?. A szabványos laptól elérő tárgyak esetén milyen maximális átváltási frekvencia értékekre számíthatunk?. 2. Feladat Ismertesse a gyűrű érzékelők működésének elvét!. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak méretére vonatkozólag?. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak pályájára vonatkozólag?. 6

45 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Milyen negatív hatással lehetnek az erős mágneses terek az induktív érzékelők működésére?. Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben?. Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő az induktív érzékelőket?. Nevezzen meg néhány különleges működési körülményre tervezett érzékelő típust!. Milyen jellemzőkkel kell rendelkezniük a magas nyomáson működő induktív érzékelőknek?. 7

46 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Mutassa be a NAMUR induktív érzékelők működésének elvét!. Sorolja fel a NAMUR induktív érzékelők fő jellemzőit!. A NAMUR induktív érzékelők milyen működési körülmények között használhatóak?. Mi a különbség az analóg kimenetű és a kétállapotú érzékelők között?. Mutassa be az induktív analóg érzékelők felépítését!. 8

47 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 1.3 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 3. Feladat Az egyenfeszültség mekkora ingadozása megengedhető induktív érzékelők esetén?. Hogyan védjük a szenzort a tápfeszültség hirtelen csúcsai ellen?. Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között?. Mi határozza meg a maximálisan sorba kapcsolható érzékelők számát?. Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása?. 9

48 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 1.4 Biztonság és védelem 4. Feladat Az egyenfeszültségű érzékelők kimenetei mely nem-kívánatos hatásoktól védettek?. A DC érzékelők kimenetének esetleges rövidzárlata veszélyezteti a szenzor működését?. Mikor szükséges az érzékelő árnyékolásának földelése?. Milyen óvintézkedéseket kell tennünk az érzékelő elektromos áramköreiben fellépő szivárgási áramok kiküszöbölésére?. 10

49 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 2 Kapacitív érzékelők 2.1 Működési elv 1. Feladat A kapacitív érzékelők milyen anyagösszetételű céltárgyak detektálására alkalmasak?. Sorolja fel a kapacitív érzékelő fő alkotóelemeit!. Mely elem az aktív elem?. A kapacitív érzékelő vezető vagy szigetelő anyagból készült céltárgyat is detektál könnyebben, és miért?. A céltárgyak földelése befolyásolja az érzékelő működését?. 11

50 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 2.2 Szenzor típusok 2. Feladat A kapacitív érzékelőket általában milyen geometriai formában gyártják?. Milyen hengeres érzékelő típusok léteznek?. Hogyan határozzuk meg az érzékelő valós érzékelési távolságát?. Mitől függ a szerves (organikus) anyagok észlelésének távolsága?. Két kapacitív érzékelőt egymástól milyen távolságban szerelhetünk fel?. 12

51 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 2.3 Interferencia kompenzáció 3. Feladat Különbözik az érzékelési távolság, ha a céltárgy réz vagy acél?. Mely anyagot könnyebb érzékelni, a vizet vagy az olajat?. A szennyeződések hogyan befolyásolják az érzékelő működését?. Lehetséges a szennyeződések hatásának csökkentése?. Hogyan semlegesíthetjük a külső elektromos mezők hatását?. 13

52 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve 1. Feladat Mutassa be az ultrahangos érzékelők működési módozatait!. Az ultrahangos érzékelővel történő mérés milyen szakaszokra osztható?. Lehetséges, hogy ugyanaz az átalakító adóként és vevőként is működjön?. Sorolja fel az ultrahangos érzékelő fő komponenseit!. Az ultrahangos érzékelők mennyire érzékenyek a külső hangok által előidézett interferenciára?. 14

53 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 3.2 Mérés menete 2. Feladat Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit!. A céltárgy anyagösszetétele hogyan befolyásolja az ultrahangos érzékelők érzékenységét?. Ismertesse az egy piezoelektromos átalakítóval rendelkező ultrahangos érzékelő működését!. Hogyan iktathatjuk ki a háttér hatását?. Mi okozza a holtteret?. 15

54 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Lehetséges az ultrahangos érzékelők érzékelési tartománya alsó határának meghatározása?. Milyen nyílásszögű érzékelők léteznek?. Hogyan definiáljuk az ultrahangos érzékelő működési tartományának meghatározására használandó szabványos tárgyat?. Ismertesse az átmenő sugaras érzékelők működési elvét!. Hogyan keletkezik a hang az átmenő sugaras szenzorok esetén?. 16

55 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 3.3 Lehetséges hibák Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit!. Az átmenő sugaras vagy a diffúz sugaras érzékelő típus rendelkezik nagyobb kapcsolási frekvenciával?. 3. Feladat Mely fizikai tulajdonságok befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését?. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet változása a szenzor működését?. Milyen szerelési körülmények befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését?. 17

56 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Zavarhatják egymást az érzékelők?. Hogyan kerülhetjük el az egymáshoz közel felszerelt ultrahangos érzékelők kölcsönös interferenciáját?. 3.4 Speciális ultrahangos érzékelők 4. Feladat Ismertesse a reflexiós ultrahangos érzékelők működési elvét!. Mely detektorok érzékenyek a hanghullám megszakítására?. Hogyan működnek azok a szenzorok, melyeknél egy házban két átalakító működik?. 18

57 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Távolságmérésre speciális szenzorokra van szükség?. 19

58 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 4 Fotoelektromos érzékelők 4.1 Alapvető érzékelő típusok 1. Feladat Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét!. Mutassa be az átmenő sugaras érzékelők tulajdonságait!. Milyen céltárgyakat kepések detektálni?. Ismertesse a retro-reflexiós érzékelő működési elvét!. Ismertesse reflektorok és a fényvisszaverő lapok felépítését!. 20

59 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 4.2 Jelfeldolgozás Mi korlátozza az effektív fénysugarat?. Ismertesse a diffúz sugaras érzékelő működési elvét!. Mutassa be a diffúz sugaras érzékelők tulajdonságait!. Hogyan határozzuk meg a diffúz sugaras érzékelők maximális érzékelési távolságát?. 2. Feladat Milyen faktorok zavarhatják a fotoelektromos érzékelők működését?. 21

60 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Az érzékelők mely típusa a legérzékenyebb a zavaró tényezőkkel szemben?. Milyen előnyei vannak a fénymodulációnak?. Ismertesse a fény polarizációjának jelenségét!. Fotoelektromos érzékelőkben hogyan használják a polarizált fényt?. Hogyan polarizáljuk a fényt?. 22

61 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 4.1 Speciális érzékelők A polarizált fény hogyan verődik vissza a tárgyak felületéről?. Fotoelektromos érzékelők esetén mit értünk működési többlet -en?. Mekkora működési többletet használjunk?. Definiálja a szenzor válaszadási idejét!. 3. Feladat Mi a különbség a polarizációs és a hagyományos retroreflexiós érzékelők között?. 23

62 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Milyen lehetőségek állnak rendelkezésre az elő- és a hátér elnyomására?. Milyen üzemmódok lehetségesek elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők esetén?. Milyen szenzorokat használunk a triangulációs érzékelők esetén?. Mi az autokollimáció?. Az autokollimátoros retro-reflexiós érzékelők a hagyományos érzékelőkhöz képest milyen kiegészítő képességekkel rendelkeznek?. 24

63 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 4.2 Csatlakozástechnika Ismertesse az optikai szálak felépítését!. Magyarázza el a teljes visszaverődés jelenségét!. Milyen különbségek vannak az üveg és a műanyag optikai szálak között?. Ismertesse az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működésének elvét!. 4. Feladat A fotoelektromos érzékelők mely üzemmódokban működhetnek?. 25

64 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Mely elemek befolyásolják az érzékelő kimenetének kapcsolási tartományának alakját és méretét?. 26

65 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 5 Mágneses érzékelők 5.1 Érzékelőkben alkalmazott mágneses jelenségek 1. Feladat Mi a lágy és a kemény mágnes?. Mi a Hall effektus?. Miért változik meg mágneses mező hatására a félvezető anyagok magnetorezisztanciája?. Mi a magnetorezisztív szalagra applikált elektródák szerepe?. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az impulzus vezetők?. 27

66 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Ismertesse a Wiegand-effektust!. 5.2 A mágneses érzékelők alapvető típusai 2. Feladat Mely elemek érzékenyek a mágneses tér változásaira?. Milyen előnyei vannak a mágneses érzékelőknek?. A mágneses szenzorok érzékelik a műanyag fal mögött elhelyezkedő tárgyakat?. A mágneses érzékelők milyen anyagösszetételű céltárgyak detektálására alkalmasak?. 28

67 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos A mágneses érzékelők milyen főbb elemekből épülnek fel?. Ismertesse a reed kapcsolós érzékelők működésének elvét!. Ha nincs a közelben mágneses mező, milyen kimeneti állapot jellemző a reed kapcsolóra?. A reed kapcsolós érzékelők hány aktív felülettel rendelkeznek?. Mely faktorok befolyásolják a reed kapcsolós érzékelők működési tartományának nagyságát?. 29

68 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos A reed kapcsolós kimenete hány vezetékből áll?. Ismertesse a Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő működési elvét!. 5.3 Speciális mágneses érzékelők 3. Feladat Ismertesse a Wiegand érzékelő működési elvét!. Hogyan hozható létre az irányát megváltoztató mágneses mező?. A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó mágneseket?. 30

69 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó impulzus vezetőt?. A Wiegand érzékelő igényel tápfeszültséget?. A mágneses érzékelők mely eleme érzékeny a mágneses mezőre?. A mágneses érzékelők mit detektálnak?. A permanens mágnessel rendelkező érzékelő igényel tápfeszültséget?. 31

70 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 5.4 Szerelési követelmények Mely elemek befolyásolják a permanens mágnessel rendelkező érzékelők kimenetét?. 4. Feladat Befolyásolja a mágneses érzékelők működését az, hogy milyen anyagösszetételű tárgyra szereljük őket?. Befolyásolja az érzékelő működését, ha a szenzor és a mágnes közé egy vékony elemet helyezünk?. Sorolja fel a mágneses érzékelők főbb alkalmazásait!. 32

71 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 6 Érzékelők feladatai mechatronikus rendszerekben 1. Feladat Sorolja fel a modern mechatronikus rendszerekben elhelyezkedő érzékelők főbb feladatait!. Az érzékelők a mechatronikus rendszerek mely működési paramétereit ellenőrzik?. A mechatronikus rendszerek mely funkciói esetén szükséges az érzékelők közreműködése?. Mi a szenzorok szerepe a mechatronikus rendszerekben?. 2. Feladat Az érzékelők mely információkkal látják el a rendszert?. 33

72 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos A mechatronikus rendszerek működésének felügyelete során milyen szerepet játszanak az érzékelők által mért jelek?. A mechatronikus rendszerek karbantartása során az érzékelők által mért jelek segítségével milyen információkhoz juthatunk?. 34

73 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 7 Busz rendszerek 7.1 Digitális feldolgozás, digitális interfészek 1. Feladat Mi a busz, és milyen előnyökkel rendelkezik?. Mi a jeldigitalizálás és -kvantálás?. Mutassa be a soros adatátvitelt!. Mutassa be a párhuzamos adatátvitelt!. Mi az RS 232C interfész?. 35

74 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 7.2 Kommunikációs hálózatok: alapismeretek, kezelés 2. Feladat Mutassa be egy vállalat kommunikációs szerkezetét!. Mutassa be a csillagtopológiás hálózatokat!. Mutassa be a gyűrűtopológiás hálózatokat!. Mutassa be a busztopológiás hálózatokat!. Mi a fieldbusz?. 36

75 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos 7.3 Busz rendszerek Mit jelent a központosított vezérlés?. Mit jelent a elosztott vezérlés?. Mi az OSI modell?. 3. Feladat Mutassa be az AS-I buszt!. Mutassa be a CAN buszt!. 37

76 Mechatronikus rendszerek és funkciók Munkafüzet Minos Mutassa be a DeviceNet busz típust! Mutassa be az Interface-S buszt!. Mutassa be a Profibus-t!. Mutassa be a Profibus DP-t és PA-t!. Nevezze meg az Ethernet szerkezetű hálózatok néhány előnyét!. Mi a NOAH projekt?. 38

77 Mechatronika Modul 8: Mechatronikus rendszerek távdiagnosztikája és karbantartása Munkafüzet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski 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.

78 Távdiagnosztika és karbantartás Munkafüzet Minos 1 A távdiagnosztika és karbantartás célja és feladatai 1. Feladat Mi indokolja a diagnosztika alkalmazását? Mi a távdiagnosztika feladata? Mi a távkarbantartás feladata? Milyen előnyökkel jár az érzékelők távoli kommunikációs központokkal való összekapcsolása? 3

79 Távdiagnosztika és karbantartás Munkafüzet Minos 2 Diagnosztikai rendszerek elve, felépítése és működése 2. Feladat Sorolja fel a diagnosztika számára fontos bemenő adatokat! Milyen követelményeket támasztunk egy diagnosztikai rendszer tervezésével szemben? Jellemzően milyen komponensekből épül fel egy diagnosztikai rendszer? 4

80 Távdiagnosztika és karbantartás Munkafüzet Minos 3 Szervizdiagnosztikai rendszerek elve és működése 3. Feladat Mi a célja, és miből áll a szervizdiagnosztika? Mutassa be egy gép paramétereinek változását a kopási folyamat során, és ezek segítségével a műszaki állapot besorolását! 5

81 Távdiagnosztika és karbantartás Munkafüzet Minos 4 Kitekintés Milyen irányban halad a diagnosztika fejlődése? 6

82 Mechatronika Modul 5: Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet (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.

83 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Fizikai alapok 1. Feladat Induktív érzékelők esetén mi hozza létre a változó mágneses teret? Az induktív szenzorok változó mágneses mezejének forrása egy induktív tekercs. Ha a tekercsen átfolyó áram időben változik, a tekercs mágneses fluxusa is változik. Hogyan változik az LC rezgőkörökben tárolt energia? Elektromos rezgőkörök esetén a teljes energiát az indukciós tekercs mágneses mezejének energiája és a töltött kondenzátor elektromos mezejének energiája tárolja. Ezen két energiatag összege tetszőleges időpillanatban állandó. Kezdetben a teljes energiát a töltött kondenzátor fegyverzetei tárolják. A kör zárása után a kondenzátor kisül, így áram folyik. Ekkor a kondenzátor teljes energiáját a tekercs tárolja. Hogyan keletkezik az oszcilláció az LC rezgőkörben? Az LC rezgőkör oszcillációjának oka az önindukció, 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. Hogyan tartható fenn az oszcilláció? A rezgést külső szinuszos jelgenerátor segítségével lehet fenntartani. Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben áram vagy feszültség rezonancia alakuljon ki? Rezonancia akkor alakul ki, ha a fenntartó külső forrás frekvenciája megegyezik a csillapítatlan LC-kör sajátfrekvenciájával. Milyen feltételeknek kell teljesülniük ahhoz, hogy az LC-körben rezgések alakuljanak ki? 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 3

84 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 1.2 Alapkonstrukció az összes, a rezgőkörben fellépő csillapítási veszteséget kompenzálnia kell. 2. Feladat Hogyan épül fel az induktív érzékelő aktív része? 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. Az induktív érzékelő hogyan határozza meg a tekercs és a detektált tárgy távolságát? A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján határozza meg a tárgytól való távolságot, majd 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. Mi a hiszterézis? 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. A hiszterézis mértéke a szenzor típusától és méretétől függ, de általában nem haladja meg a mérési tartomány 20%-át. Miért előnyös, ha az induktív szenzor hiszterézises? A detekciós rendszer mellett az érzékelő elektromos rendszere egy hiszterézises komparátorból és a kimeneti rendszerből áll. A hiszterézisnek köszönhetően a szenzor kimenetén esetlegesen fellépő interferencia elkerülhető. Interferencia legnagyobb valószínűséggel kapcsoláskor lép fel, mégpedig a detektálandó tárgy instabil helyzete, vibrálása, illetve a tápfeszültség és/vagy a környezeti hőmérséklet változása esetén Adja meg az induktív érzékelő működési frekvenciatartományát! 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. 4

85 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Mekkora az induktív érzékelő működési távolsága, és milyen házakba épül be? 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 működésének helyén optimálisan installálható. Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát? A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (S n ) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban. Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van definiálva? A névleges érzékelési távolság (S n ) értékét az EN szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, vastagsága 1 mm. Mi a valós érzékelési távolság? A valós érzékelési távolságot (S r ) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. Néveleges működési feszültség és nominális környezeti hőmérséklet esetén 0,9 S n S r 1,1 S n. Mi szenzor működési távolsága? A működési távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a hibátlan működés garantálható. Az ajánlott működési távolság S a 0,8 S n. Milyen faktorok befolyásolják az induktív érzékelő működési tartományát? A szenzor névleges érzékelési távolsága függ a ház 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. Induktív érzékelők esetén milyen szerepet játszik a redukciós tényező? 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. 5

86 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Ez az érzékelési tartomány csökkenését okozza. Ha például a detektált tárgy bronz, az St37 es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével módosítani kell: 0,5 S n. Az érzékelő kialakítása hogyan befolyásolja annak érzékenységét? Hengeres házban két alaptípus létezik: - Árnyékolt: a rezonáns áramkör induktív 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 érzékeli. Milyen szabályokat érdemes betartani árnyékolt érzékelők egymáshoz közeli felszerelésekor? 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 átmérőjének kétszerese legyen. Milyen szabályokat érdemes betartani árnyékolatlan érzékelők egymáshoz közeli felszerelésekor? 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 az átmérő háromszorosa legyen. Mit értünk az érzékelő kimenetének maximális átváltási frekvenciáján? 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. 6

87 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 1.3 Speciális szenzorok A szabványos laptól elérő tárgyak esetén milyen maximális átváltási frekvencia értékekre számíthatunk? 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. 3. Feladat Ismertesse a gyűrű-érzékelők működésének elvét! Az induktív gyűrű-érzékelők működése egy nagy frekvenciás generátoron alapszik, mely a lyukon belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroid nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely minőségi faktora jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdócsökkenést egy komparátor ismeri fel, majd egy küszöb érték átlépésekor átvált a kimeneti állapot. Léteznek korlátozások a gyűrű-érzékelők által észlelhető tárgyak méretére vonatkozólag? 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. Léteznek korlátozások a gyűrű-érzékelők által észlelhető tárgyak pályájára vonatkozólag? 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. Milyen negatív hatással lehetnek az erős mágneses terek az induktív érzékelők működésére? Az érzékelők erős mágneses mezőben (például hegesztő berendezések közelében) való felszerelése a kimenti állapot kontrollálatlan viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatása következménye. A keletkező plusz áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. 7

88 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben? 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. Itt a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve. Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő induktív érzékelőket? A hegesztési folyamat alapvetően sok szikrával jár, mely károsíthatja az érzékelő házát, valamint az aktív felületet. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon bronz bevonatúak, első felületük pedig hőálló műanyaggal (Duraplast ) védett. Nevezzen meg néhány különleges működési körülményre tervezett érzékelő típust! Léteznek nagy nyomás, magas hőmérséklet, kémiailag agreszszív környezet, olaj, nagy páratartalom esetére tervezett, vagy miniatűr érzékelők is. Milyen jellemzőkkel kell rendelkezniük a magas nyomáson működő induktív érzékelőknek? Nagy nyomású környezetben működő szenzorok felépítésének a belső elektronika védelme érdekében robusztusnak és jól tömítettnek kell lenniük. 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 bistabil gyűrű-érzékelők hogyan határozzák meg a mozgás pályáját? Az induktív bistabil érzékelő két szenzorral rendelkezik, melyeket független generátorok látnak el. 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. 8

89 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Mutassa be a NAMUR induktív érzékelők működésének elvét! 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 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. Sorolja fel a NAMUR induktív érzékelők fő jellemzőit! 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, a szigorúan definiált átváltási hiszterézis 0,2 ma. A NAMUR induktív érzékelők milyen működési körülmények között használhatóak? 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. Mutassa be az induktív analóg érzékelők felépítését! Az induktív analóg érzékelők egy tekercset tartalmazó fejből, egy generátorból, egy linearizációs rendszerből és egy kimeneti rendszerből állnak. Egy tárgy távolságának S n -ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 ma-re való változásának felel meg. 1.4 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 4. Feladat Az egyenfeszültség mekkora ingadozása engedhető meg induktív érzékelők esetén? 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. 9

90 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Hogyan védjük a szenzort a tápfeszültség hirtelen csúcsai ellen? Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. Az egyenfeszültségű szenzorok milyen típusait ismeri? A DC tápfeszültségű szenzorok NPN vagy PNP elrendezésben léteznek. 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. Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között? Mindkét fenti típusú kimenet esetén rendelkezésre áll az NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. NO típus esetén a szenzor az áramot bekapcsolja, az NC típus pedig ki. Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása? 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. Váltófeszültségű érzékelők esetén lehetséges, hogy kikapcsolt állapotban is folyik áram? Igen. Az oszcillátor mellett, a két vezetékes AC érzékelők egy tranzisztorral is rendelkeznek, mely teljesítmény-erősítőként működik. Ennek eredményeként folyamatos az áramszivárgás, még a szenzor kikapcsolt állapotában is. Ez egy bizonyos feszültség veszteséget eredményez. Milyen célt követünk az érzékelők csoportokban történő használatával? 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. A sorba kapcsolt érzékelők milyen logikai függvényt realizálnak? A sorba kapcsolt érzékelők ÉS és NEM-VAGY (NOR) függvényeket realizálhatnak. Az ÉS logikai funkció garantálja, hogy több összekapcsolt szenzor esetén a kimeneten csak akkor je- 10

91 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 1.5 Biztonság és védelem lenik 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. Mi határozza meg a maximálisan sorba kapcsolható érzékelők számát? 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 értéknek mindig meg kell haladnia a kapcsolódó terhelés minimális működési feszültségét. A párhuzamosan kapcsolt érzékelők milyen logikai függvényt realizálnak? A sorba kapcsolt érzékelők VAGY függvényt realizálhatnak. A VAGY kapcsolás esetén akkor keletkezik kimeneti jel, ha az érzékelők közül egynek megváltozott a kimeneti állapota. Mi határozza meg a maximálisan párhuzamosan kapcsolható érzékelők számát? Párhuzamosan kapcsolt három vezetékes DC szenzorok esetén nincsenek lényeges korlátozások. A kimenettől függetlenül akár egy tucat érzékelő is összekapcsolható. Két vezetékes szenzorok kapcsolhatók párhuzamosan? 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. 5. Feladat Az egyenfeszültségű érzékelők kimenetei mely nem-kívánatos hatásoktól védettek? A legtöbb egyenáramú 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 11

92 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos A DC érzékelők kimenetének esetleges rövidzárlata veszélyezteti a szenzor működését? Az állandó áramú 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. Mikor szükséges az érzékelő árnyékolásának földelése? Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Milyen óvintézkedéseket kell tennünk az érzékelő elektromos áramköreiben fellépő szivárgási áramok kiküszöbölésére? Ha egy közelítéskapcsoló KI állapotban van, az áramkörben szivárgási áram jelenik meg, mely az érzékelő hibás működését eredményezheti. Ennek elkerülése végett magával a terheléssel egy további R p ellenállást kapcsolunk párhuzamosan. Ez az ellenállás felveszi a szivárgási áramot, mivel értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram. 12

93 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 2 Kapacitív érzékelők 2.1 Alapok 1. Feladat A kapacitív érzékelők milyen anyagú céltárgyak detektálására alkalmasak? A kapacitív érzékelők 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 használják, de a tárgy szenzortól mért távolságával arányos jel létrehozására is alkalmasak. Az alább felsorolt anyagok melyikét detektálhatjuk kapacitív érzékelővel? 1. Acél 2. Réz 3. Gumi 4. Ébenfa 5. Víz 6. Müzli 7. Hidrogén A kapacitív érzékelő detektálja az acélt, a rezet, a gumit, az ébenfát, a vizet és a müzlit. A hidrogén (mint gáz) érzékelése lehetetlen. Sorolja fel a kapacitív érzékelők fő alkotóelemeit! A kapacitív érzékelő a következő alkotóelemekből áll: fej elektródával, potenciométer (P), oszcillátor, detektáló áramkör, kimeneti áramkör. Mely elem az aktív elem? A kapacitív szenzor aktív komponense két fém elektróda, mely nyitott kondenzátort alkot. Ha egy tárgy közelít ehhez a kondenzátorhoz, 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. Mekkora a kapacitív érzékelők működési tartománya? Az ilyen érzékelők észlelési távolsága igen kicsi, kb. 30 mm, de léteznek speciális berendezések is, melyeknél ez 60 mm is lehet. 13

94 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 2.2 Fizikai alapok 2. Feladat A kondenzátor kapacitása az elektródák közötti távolsággal arányosan nő? 2.3 Alapkonstrukció Nem, a kondenzátor kapacitása fordítottan arányos az elektródák közötti távolsággal, azonban egyenesen arányos a kondenzátor elektróda felületével és a köztes anyag dielektromos állandójával. Hogyan készíthetünk nyitott kondenzátort? 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. Milyen szerepet játszik az indirekt elektróda? 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. Mi történik, ha a nyitott kondenzátor mezejébe vezető ill. nem-vezető anyagot helyezünk el? 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. Mely faktorok befolyásolják a kondenzátor kapacitását? A kondenzátor kapacitása függ az elektródák felületétől, az elektródák közti távolságtól és a köztes anyag dielektromos állandójától. 3. Feladat A kapacitív érzékelő vezető vagy nem-vezető anyagból készült céltárgyat detektál könnyebben, és miért? Az érzékelő vezető tárgyakat könnyebben érzékel. A nem vezető tárgyak, azaz például a papír vagy üveg a dielektromos 14

95 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 2.4 Szenzor típusok állandó növelésével csak a szenzor saját kapacitását növeli. 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 céltárgyak földelése befolyásolja az érzékelő működését? Igen, a céltárgy földelése növeli az érzékelési távolságot. 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. Kapacitív érzékelők esetén milyen szerepet játszik a potenciométer? Az oszcillátor és az elektróda közötti visszacsatoló áramkörben egy potenciométer található, mely az oszcillátor áramkörének aktiválási szintjét állítja be. Definiálja a kapacitív érzékelő kalibrálására használatos szabványos céltárgyat! A szabványos céltárgy egy 1 mm vastagságú, négyzetes keresztmetszetű, Fe360 acél tárgy, melynek oldalának hossza megegyezik a szenzor érzékelési felületének átmérőjével, vagy 3*S n -nel, attól függően, melyik érték a nagyobb. Hogyan definiáljuk az érzékelő megbízható működési távolságát? Az érzékelő megbízható működési távolsága 0<=S a <=0,71*S n Mitől függ az érzékelő kapacitív szerkezete? Az érzékelő kapacitív szerkezete mindig a céltárgy anyagi minőségétől, és annak földeltségétől függ. 4. Feladat A kapacitív érzékelők általában milyen formában léteznek? A kapacitív szenzorok általában mint hengeres vagy négyszögletes kivitelű közelítésérzékelők léteznek, melyek aktív oldala az egyik lapos felület. Léteznek speciális készülékek is, melyeket vízszintes vagy görbült felületek esetén használhatunk. 15

96 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 2.5 Interferencia kompenzáció Milyen hengeres érzékelő típusok léteznek? 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 azokban az esetekben, amikor az észlelendő anyag közvetlenül érintkezik az aktív felülettel (pl. ömlesztett anyagok vagy folyadékok szintjének figyelése). Ekkor az érzékelési tartomány 50%-al nagyobb. Hogyan határozzuk meg az érzékelő valós érzékelési távolságát? A katalógusban található névleges érzékelési távolság (S n ) szabványos fémes tárgy esetén érvényes. A szenzor valós érzékelési tartományának (S r ) meghatározásához a nominális értéket egy az adott anyagra vonatkozó redukciós tényezővel kell megszorozni. Mitől függ a szerves anyagok észlelésének távolsága? 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. Két kapacitív érzékelőt egymástól milyen távolságban szerelhetünk fel? Kapacitív szenzorok egymástól való távolsága legyen legalább 3*S n. Ha a két érzékelő egymás felé néz, ezen távolság kétszerese szükséges. 5. Feladat Réz és acél esetén különbözik az érzéekelési távolság? Nem, az érzékelési távolság megegyezik. Vezető anyagú céltárgyak esetén az anyagi minőség nem befolyásolja az érzékelési távolságot. Mely anyagot könnyebb érzékelni, vizet vagy olajat? A víz könnyebben detektálható, mivel dielektromos állandója 80, azaz a nem-vezető anyagok között a legmagasabb. Az olaj dielektromos állandója 2,2. 16

97 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos A szennyeződések hogyan befolyásolják az érzékelő működését? A szenzor elszennyeződése, a levegő nedvességtartalmának változása vagy az aktív felületen harmatcseppek képződése helytelen működést eredményezhet. A szennyeződések a szenzorelektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák. Lehetséges a szennyeződések hatásának csökkentése? Igen. Ha a zavart okozó mező homogén, egy további kompenzációs elektródát kapcsolunk az oszcillátor kimenetére, így lehetséges az érzékelési távolság állandó értéken tartása. A szennyeződések a szenzorelektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák, ugyanakkor a szenzorelektróda 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. Hogyan eliminálhatjuk a külső elektromos mezők hatását? 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. 17

98 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Fizikai alapok 1. Feladat Hogyan terjed a hang a 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. Hogyan definiáljuk a hanghullámok hullámhosszát? 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). Hogyan számíthatjuk ki egy akadály és a hang forrásának távolságát? 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. Ismertesse a piezoelektromos hatást! 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 spirális elhelyezkedése a kristályrácsban. Az effektus reverzibilis, tehát elektromos feszültéség hatására a kristály eldeformálódik. 18

99 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Írja le a piezoelektromos anyagok viselkedését magas hőmérsékleten! A piezoelektromos tulajdonságok magas hőmérsékleten megszűnnek. Kvarc átalakító maximális működési hőmérséklete 200 C, a kerámia jelátalakítóé 100 C. Hogyan kelthetünk hanghullámokat? A piezoelektromos elemet megfelelő feszültség rákapcsolásával rezgésbe hozzuk. Ha az kapcsolatban áll az anyaggal vagy valamely közeggel, azaz 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. Az ultrahangos érzékelők mely frekvencia-tartományban működnek? Az ultrahangos érzékelők 23 és 400 khz közötti frekvenciákat használnak. Milyen alakot vesz fel a hanghullám haladása során? Az ultrahang-hullám terjedése során szóródik. A legtöbb hangenergia a szenzor tengelye köré koncentrálódik. A méréshez felhasznált sugár kúp alakú. Mely faktorok határozzák meg a hanghullám terjedési területének méretét és a kúp nyílásszögét? 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. Hogyan határozhatjuk meg az ultrahang-hullám átmérőjét? 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 19

100 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 3.2 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve 2. Feladat Mutassa be az ultrahangos érzékelők működési módozatait! 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 érzékelővel történő mérés milyen szakaszokra osztható? Az ultrahangos mérések két szakaszból állnak: - az átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé, - a céltárgy ultrahang-sugarat küld az átalakító irányába, amikoris ez a sugár az eredeti jel visszhangja. Lehetséges, hogy ugyanaz az átalakító adóként és vevőként is működjön? Igen. Diffúz sugaras szenzorok esetén a két funkciót ugyanaz a piezoelektromos átalakító végzi. Léteznek azonban olyan diffúz sugaras érzékelők is, melyek esetén a két funkciót külön házakban elhelyezkedő, különálló átalakítók végzik. Sorolja fel az ultrahangos érzékelő fő komponenseit! Az ultrahangos érzékelő fő alkotóelemei a nagyfeszültségű generátor, az érzékelő fejében elhelyezkedő piezoelektromos átalakító, a jelfeldolgozó rendszer és a kimeneti rendszer. Az ultrahangos érzékelők mennyire érzékenyek a külső hangok által keletkező interferenciára? Az ultrahangos érzékelők által keltett hanghullámok messze kívül esnek a hallható hangok tartományán (kb. 20 khz). A nagy frekvencia miatt gyakorlatilag érzéketlenek a környezet hanghatásaira. Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területei! Az ultrahangos érzékelőket tárgyak, átlátszó és nem-átlátszó folyadékok szintjének detektálására, valamint távolságmérésre használjuk. Alkalmazhatjuk őket nagy portartalmú, valamint a magas fokú szennyezettség miatt más szenzorok számára alkalmatlan környezetben is. 20

101 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos A céltárgy anyagi minősége hogyan befolyásolja az ultrahangos érzékelők érzékenységét? 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. Ismertesse az egy piezoelektromos átalakítóval rendelkező ultrahangos érzékelő működését! 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. Két funkciós átalakítóval, azaz jelgenerátorral és vevővel rendelkező szenzorok esetén az impulzus T i hosszának lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a visszhang megérkezéséhez szükséges T e idő. 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. Hogyan iktathatjuk ki a háttér hatását? A szenzor maximális érzékelési távolságát egy megfelelő potenciométer segítségével korlátozni lehet, így az adott távolságon kívül elhelyezkedő tárgyakat nem észleljük. Ezáltal a háttér kitakarása megoldható. Mi okozza a holtteret? 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. A holt tér mérete a szenzor méretétől és érzékelési távolságától függ. Rövid, korlátozott érzékelési tartományú szenzorok holt tere kisebb, mint a nagyobb szenzorok holt tere. 21

102 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Lehetséges az ultrahangos érzékelők érzékelési tartománya alsó határának meghatározása? Néhány szenzortípus esetén az érzékelési távolság alsó határa is beállítható, azaz létrehozható egy kizárt tartomány is. Ekkor az aktív tartomány pontosan meghatározható. Milyen nyílásszögű érzékelők léteznek? 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 hagyja. Hogyan definiáljuk az ultrahangos érzékelő működési tartományának meghatározására használandó szabványos tárgyat? 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. Ismertesse az ármenő sugaras érzékelők működési elvét! 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. Hogyan keletkezik a hang az átmenő sugaras szenzorok esetén? Átmenő sugaras szenzorok esetén, a diffúz és reflexiós szenzorokkal ellentétben az átalakító folytonos jelet állít elő, így tehát nincs holt tér. Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit! 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. Az átmenő sugaras vagy a diffúz sugaras érzékelő típus rendelkezik nagyobb kapcsolási frekvenciával? Az átmenő sugaras érzékelők kimeneti állapot átkapcsolási frekvenciája nagyobb, mint a diffúz sugaras szenzoroké, elérheti a 200 Hz-et. 22

103 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 3.3 Lehetséges hibák 3. Feladat Mely fizikai faktorok befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? Az érzékelő működését befolyásolhatja a detektálandó tárgy közelében végbemenő hőmérséklet-változás, erősebb légáramlatok (széllökések), valamint a hang elnyelődése a detektálandó tárgy közelében. A hőmérséklet változása hogyan befolyásolja a szenzor működését? A szenzor működési tartományában nagy mennyiségű hőt sugárzó tárgy következtében emelkedhet a hőmérséklet. Ez különböző hőmérsékleti zónák kialakulását eredményezheti, melyek megváltoztatják a hullám terjedésének idejét, és ezáltal csökkentik a szenzor pontosságát. A hőmérséklet emelkedése esetén a detektált távolság gyakran kisebb a valós távolságnál. 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. Milyen szerelési körülmények befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? 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. Ilyenek: a detektálandó tárgy felületének a szenzor referenciatengelyével bezárt szöge; a céltárgy alakja, ha a céltárgy felületéről visszavert sugár iránya nagyban eltér a szenzor tengelyének irányától; folyadékok hullámos felülete, érzékelők kölcsönös interferenciája. Zavarhatják egymást az érzékelők? 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. Hogyan kerülhetjük el az egymáshoz közel felszerelt ultrahangos érzékelők kölcsönös interferenciáját? Kettő vagy több szenzor megfelelő összekapcsolása lehetővé teszi egymás közelségében való elhelyezésüket interferencia veszélye nélkül. A szinkronizált szenzorok egy időben bocsátanak ki jelet, és egy, kiterjesztett akusztikus kúppal rendelkező érzékelőként működnek, mely ugyanazt a tárgyat detektálja. 23

104 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 3.4 Speciális ultrahangos érzékelők 4. Feladat Ismertesse a reflexiós ultrahangos érzékelők működési elvét! 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. Mely detektorok érzékenyek a hanghullám megszakítására? A retro-reflexiós érzékelők 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. Hogyan működnek azok a szenzorok, melyeknél egy házban két átalakító működik? 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. Távolságmérés eetén szükség van speciális szenzorokra? Az ultrahangos érzékelők nagy része mind kétállapotú, mind analóg kimenettel is rendelkezik. Ha távolság mérésére van szükség, a fezsültség vagy áram kimenetet használjuk. A kimeneti feszültség vagy áram nagysága arányos a mért távolsággal. 24

105 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 4 Fotoelektromos érzékelők 4.1 Fotoelektromos komponensek Fizikai alapok 1. Feladat A fotoelektromos érzékelők az elektromágneses sugárzás mely tartományát használják? A látható fény az elektromágneses sugárzás emberi szem által érzékelhető tartománya (370nm 770nm hullámhossztartomány). Különböző fotoelektromos érzékelők látható vörös, vagy láthatatlan infravörös (>770 nm) fényt használnak. Magyarázza el, hogy a fény különböző felületektől hogyan verődik vissza! 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 irányított: ekkor a visszaverődés szöge megegyezik a beesés szögével. Ez történik például ragyogóra fényezett fém vagy tükör felületek esetén. Érdes felületek esetén a visszavert fény szóródik. Csillogó bevonatú felületek esetén lehetséges, hogy a fény részben irányítottan, részben pedig szóródva verődik vissza. Magyarázza el a fénytörés jelenségét! A fény útja egyik közegből egy eltérő sűrűségű közegbe való belépéskor megváltozik. Speciális esetben a fénytörés helyett teljes visszaverődés is felléphet Fényemittáló elemek és detektorok 2. Feladat A fotoelektromos érzékelőkben milyen emittereket használunk? A fotóemitterek két nagy csoportját különböztetjük meg: a LEDeket, ezek fénykibocsátó diódák. Ezek a látható tartományban, azaz 780 nm-es hullámhossznál rövidebb hullámtartományban bocsátanak ki fényt. A másik csoport a félvezető lézerdióda (LD): a LED továbbfejlesztése, mely látható vagy infravörös tartományban működik. Magyarázza el az elektroliuminencia jelenségét! Külső elektromos áram hatására a félvezető gerjesztett állapotba kerül, és elektromágneses sugárzást bocsát ki. 25

106 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Mi határozza meg a LED lumineszcenciájának erősségét? A lumineszcencia intenzitása az áthaladó áram nagyságától függ, az összefüggés széles áramtartományban lineáris. Mi határozza meg a LED által kibocsátott fény színét? 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. Mikor használunk látható, és mikor láthatatlan infravörös fényt emittáló érzékelőket? 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. Mi a LED házát lezáró lencse feladata? A LED-ek fénye erősen divergens, így fókuszálni kell, ezért a LED általában könnyű, átlátszó, matt, színtelen vagy a LED színével megegyező színű házban található, mely egy műanyag lencsét is tartalmaz. Ez formálja a sugarat, így optimális karakterisztika érhető el. Milyen előnyökkel bírnak a lézerdiódák a LED-ekkel szemben? A lézerfény a LED fényével ellentétben szinte párhuzamos. Ennek következtében nagy mérési távolságok esetén az emitter könnyebben pozícionálható a céltárgyhoz képest. A lézer emitterekkel rendelkező szenzorok különösen apró tárgyak és szigorú pozicionálást igénylő mérések esetén alkalmasak. Miben különbözik a lézer dióda és a LED karakterisztikája? A lézer dióda fényének intenzitása többszöröse a LED fényintenzitásának. Ezen kívül a lézerfény hullámhossza nem változik, míg a LED szórt fényt állít elő. A fotódetektorok mely típusait ismeri, és ezek milyen szerepet játszanak a fotoelektromos érzékelők esetén? A félvezető fotódetektorok az adó által kibocsátott fényenergiát elektromos energiává alakítják át, általában félvezető fotodiódák vagy fotótranzisztorok. 26

107 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Hogyan definiáljuk a fotódetektor válaszadási (fényimpulzusra való reagálás) idejét? A fotódetektorok fontos jellemzője a fényimpulzusra való reagálási idő, mely a pulzus felfutási ideje a fotóáram a maximális fotóáram 0,1-szereséről 0,9-szeresére való felfutásának ideje. Ennek megfelelően az elengedési idő az az idő, ami alatt a fotóáram maximumának 0,9-szereséröl 0,1-szeresére esik. Mi a különbség a hagyományos fotodióda és a PIN fotodióda között? 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. A pozícióérzékeny detektorok hogyan határozzák meg a fénypont helyét? A pozícióérzékeny detektorok PIN fotodiódák, melyek nagy, fényérzékeny felülettel rendelkeznek. A fény a félvezető vonalzó alakú p-típusú rétegét éri. A szenzor két áramkörrel rendelkezik. 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. A CCD kevésbé érzékeny a külső zavaró hatásokra, mint a pozícióérzékeny detektor? 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 lehet, mely a beeső fény mennyiségét jelzi. Miben tér el egy tranzisztor és egy fotótranzisztor felépítése? A fotótranzisztor 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. 27

108 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 4.2 Alapvető érzékelő típusok Ezen előnye miatt a fotótranzisztorokat gyakran használják fotódetektorként, jóllehet a levágási frekvenciájuk a diódákhoz viszonyítva sokkal alacsonyabb. 3. Feladat Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét! 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. Mutassa be az átmenő sugaras érzékelők tulajdonságait! Érzékelési távolságuk (> 50 m) a különböző típusú szenzorokat összevetve a legnagyobb. Nagyban érzéketlenek a külső körülményekre, pl. a porra, a lencséket elhomályosító szenynyeződésekre, gőzre vagy párára. Milyen céltárgyakat képesek detektálni? Az átmenő sugaras érzékelők legfontosabb tulajdonsága, hogy tetszőleges anyag esetén működnek. A felület lehet festett, áttetsző, átlátszó, érdes, sima, fémes, műanyag, vagy szinte bármi más. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. Az érzékelő jelez, ha a céltárgy a sugár legalább 50%-át kitakarja. Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét! A retro-reflexiós érzékelők esetén az adó és a vevő egy házban helyezkedik el, a fény vevőbe való visszaterelésére reflektort használunk. A fénysugár felé haladó tárgy a sugarat megszakítja, és kimeneti jelet generál. Ezen érzékelők használatához speciális reflektorra vagy felragasztható visszaverő lapokra van szükség. A fénysugarakat szóró felületű céltárgy detektálása szinte lehetetlen, hiszen ekkor alig jut vissza fény a vevőbe. Ismertesse reflektorok és a fényvisszaverő lapok felépítését! A reflektor három egymással kölcsönösen derékszöget bezáró tükrökböl álló rendszer. A rendszerbe belépő fénysugarat mindhárom tükör teljességében visszaveri, majd a beeső fénysugárral párhuzamosan lép ki. Mi korlátozza az effektív fénysugarat? A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől, valamint a reflektor méretétől függ. 28

109 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 4.3 Jelfeldolgozás Ismertesse a diffúz sugaras érzékelő működési elvét! A diffúz sugaras érzékelőket gyakran reflexiós vagy közelítő érzékelőknek is nevezzük, és a céltárgyak közvetlen detektálására használatosak. 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 viszszaver, az így visszatér a vevőbe, és kimeneti jelet generál. Mutassa be a diffúz sugaras érzékelők tulajdonságait! A diffúz sugaras érzékelők működési tartománya relatív kicsi (kb. 100 mm, ritkán 200 mm). 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. Hogyan határozzuk meg a diffúz sugaras érzékelők maximális érzékelési távolságát? 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. 4. Feladat Milyen faktorok zavarhatják a fotoelektromos érzékelők működését? Működési elvükből kifolyólag a fotoelektromos érzékelők érzékenyek a természetes és mesterséges külső források által keltett interferenciával 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 interferenciából adódó problémákat. Az érzékelők mely típusa a legérzékenyebb a zavaró tényezőkkel szemben? A diffúz sugaras érzékelők a legérzékenyebbek a természetes forrásból származó állandó intenzitású fényből vagy a természetes fény spektrumához hasonló mesterséges fényforrások 29

110 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos fényéből származó interferenciára, de a változó intenzitású fényforrásokra (villogó fények) is. Milyen előnyei vannak a fénymodulációnak? A moduláció azt jelenti, hogy az adó fényforrása csak rövid, az impulzusok közötti szünetnél rövidebb időre kapcsol be. Ennek előnye, hogy az érzékelők relatív érzéketlenek a környezet fényviszonyaival szemben, valamint nő az érzékelési távolság is. Ismertesse a fény polarizációjának jelenségét! 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. Fotoelektromos érzékelőkben hogyan használják a polarizált fényt? A polarizáció lehetővé teszi a céltárgyról visszaverődő és a más forrásból származó fényjelek megkülönböztetését. Hogyan polarizáljuk a fényt? Ha a fény egy polarizációs szűrőn halad keresztül, a sugárnak csak a szűrő polarizációjának megfelelő polarizáltságú része marad meg. A polarizált fény tárgyak felületéről hogyan verődik vissza? A diffúz (diszperziós) visszaverődés megszünteti a polarizációt, és 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. Speciális eset a tripla-tükrös reflektor, mely esetén a be- és kilépő fény polarizációja megegyezik. Fotoelektromos érzékelők esetén mit értünk működési többlet -en? Az érzékelő működési többlete adja meg, hogy a beeső fény hányszorosa az érzékelő átkapcsolásához a szükséges fénymennyiségnek. 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. 30

111 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Mekkora működési többletet használjunk? Még tiszta levegő esetén, és lencsék elszennyeződésének minimális valószínűsége mellett a működési tartalék legyen legalább 1.5. Kiemelkedően szennyezett környezetben, ahol a lencsék tisztításának lehetősége korlátozott, a tartalék legyen legalább 50-szeres. Mi a holt tér? 4.1 Speciális érzékelők 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. Definiálja a szenzor válaszadási idejét! A válaszadási idő a fénysugár az adó és a vevő közötti megjelenésének pillanatától egészen a kimeneti állapot megváltozásáig számítandó. 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. 5. Feladat Mi a különbség a polarizációs és a hagyományos retroreflexiós érzékelők között? 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 fénysugarak nem. A hagyományos érzékelők nem rendelkeznek szűrőkkel, így sokkal érzékenyebbek a külső zavaró hatásokra. Milyen lehetőségek állnak rendelkezésre az elő- és a háttér elnyomására? 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 érhető el. A háttér elnyomásának hatékonyabb módja annak elektronikus kivitelezése, amikor az érzékelő látja a hátteret, azonban ignorálja. Példa erre lehet egy két vevős diffúz sugaras ér- 31

112 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos zékelő, vagy egy CCD kamerával vagy PSD átalakítóval felszerelt triangulációs érzékelő. Milyen üzemmódok lehetségesek elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők esetén? Az elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők az alábbi három üzemmód egyikében működhetnek: - Az észlelési tartományon kívül elhelyezkedő tárgy elleni védelem (háttér elnyomás) - Az észlelési tartomány előtt elhelyezkedő tárgy elleni védelem (előtér elnyomás) - Csak a definiált tartományon belüli tárgy észlelése (ablak funkció) Milyen szenzorokat használunk triangulációs érzékelők esetén? A triangulációs érzékelő lineáris PSD (pozícióérzékeny detektor) vagy CCD kamerát alkalmaz. Ennek köszönhetően az ilyen érzékelők távolság mérésére is alkalmasak. Mi az autokollimáció? Az autokollimáció a divergens fény automatikus párhuzamosítása. Ekkor kis sugárátmérő esetén is elég fény jut el a vevőbe. Az autokollimátoros retro-reflexiós érzékelők a hagyományos érzékelőkhöz képest milyen kiegészítő tulajdonságokkal rendelkeznek? Az autokollimáció lehetővé teszi átlátszó, vagy a szenzorhoz nagyon közel (a standard szenzorok holt terében) elhelyezkedő tárgyak felismerését is. Ismertesse az optikai szálak felépítését! 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. Magyarázza el a teljes visszaverődés jelenségét! A teljes belső reflexió jelensége 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. A fénysugár a határfelületről csak akkor verődik vissza, ha nagyobb törésmutatójú közegből halad a kisebb törésmutatójú közeg felé. 32

113 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 4.2 Csatlakozástechnika A gyakorlatban miért nem használhatunk végtelen hosszúságú optikai kábeleket? Elméletileg a visszaverődés nem csökkenti a fény energiáját. Azonban mind a magban, mind a köpenyben előfordulhatnak szennyeződések, kisebb hibák, melyek veszteségeket okoznak, és így csökkentik a szálak átviteli távolságát. Mil a különbség az üveg és a műanyag optikai szálak között? 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. Ennél fogva az üveg optikai szálakat látható és infravörös fény továbbítására is használhatjuk, a műanyag szálak pedig csak látható fény vezetésére alkalmasak. Ismertesse az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működésének elvét! 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. 6. Feladat A fotoelektromos érzékelők mely üzemmódokban működhetnek? A fotoelektromos érzékelők sötét (DO = dark operate) vagy világos (LO = light operate) üzemmódban működhetnek. 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. Mely faktorok befolyásolják az érzékelő kimenetének kapcsolási tartományának alakját és méretét? Minden fotoelektromos érzékelő saját karakterisztikus kimeneti állapotot kapcsoló zónával rendelkezik, mely mérete és alakja függ az adó által küldött fénysugár átmérőjétől, és a detektá- 33

114 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos landó 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. 34

115 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 5 Mágneses érzékelők 5.1 Fizikai alapok Mágneses mező 1. Feladat A mágneses mező milyen forrásai létezhetnek? Milyenek az erővonalak? Mágneses mező forrása lehet tartós mágnes, tekercs, vagy bármely áram által átjárt vezető. A mágneses mező az a hely, ahol mágneses erők hatnak. A mágneses mező mágnesek, áram által átjárt vezetők és mozgó elektromos töltések körül van jelen. A mágneses mező erővonalai zárt görbék, melyek mindig az északi N pólustól a déli S pólus felé vezetnek. A mágneses mező mely fizikai mennyiségekkel írható le? 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. Az anyagok mágneses tulajdonságaik alapján mely csoportokra oszthatók? 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 mágnese tér erősségétől függően ez az érték elérheti a néhány ezret. Magyarázza el a ferromágneses anyagok mágnesezhetőségének jelenségét! 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 mág- 35

116 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Reed kapcsoló neses mező hatására a ferromágneses anyag mágnessé válik. A vas ötvözetei mindig ferromágneses tulajdonságúak. Mi a lágy és a kemény mágnes? 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 kell magnetizálódniuk és de-magnetizálódniuk. Ilyenek például a vas, a Fe-Si, Fe-Al ötvözetek és a lágy amorf ötvözetek. 2. Feladat Hogyan épül fel a reed-kapcsolós érzékelő? A reed kapcsoló egy hermetikusan lezárt üveg gömbből áll, melyben vákuum vagy valamely semleges gáz, valamint két vékony, beágyazott ferromágneses anyagú lemez található. A működés 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. Mi indokolhatja a kapcsolók használata esetén ajánlott különleges védelmet? 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. Mi a reed kapcsoló maximális átváltási frekvenciája? A reed kapcsoló (érzékelő) átváltási frekvenciája annak típusától és anyagi tulajdonságaitól függ. Általában nem haladja meg a Hz-et. A mágnes helyzetének megváltozásakor mi határozza meg, hogy a kapcsoló hány kontaktusa zár? A reed kapcsoló három zárható kontaktussal rendelkezik. Ez azonban nem azt jelenti, hogy minden alkalommal, amikor mágnes közelít felé, a kontaktusok zárnak, ugyanis ez a mág- 36

117 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos nes mágneses tengelyének a reed kapcsoló tengelyéhez képesti orientációjától függ. Ha a két tengely egymással párhuzamos, mindhárom kontaktus zár. Két kontaktus 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 Érzékelőkben alkalmazott mágneses jelenségek 3. Feladat Mi a 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 ). Hogyan növelhető a Hall feszültség? Gyakorlati alkalmazások esetén igen magas V H feszültség szükséges. Ez megoldható, ha nagyon vékony, nagy elektronmobilitású anyagból készült lemezt alkalmazunk. 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. Miért változik meg mágneses mező hatására a félvezető anyagok magnetorezisztanciája? 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. Mi a magnetorezisztív szalagra applikált elektródák szerepe? 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. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az impulzus vezetők? Az impulzus vezetők két, a mágneses tulajdonságaik szempontjából eltérő tartománnyal rendelkeznek, a maggal és a kö- 37

118 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos pennyel. A mag lágy (keskeny hiszterézis), míg a köpeny kemény (széles hiszterézis) mágneses tulajdonságú. Az impulzus vezetők kb. 0,3 mm átmérőjű ferromágneses anyagból készülnek, melyeket a megfelelő feszültségállapot létrehozása érdekében hidegen többszörösen megcsavarnak. Ismertesse a Wiegand-effektust! 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 két tartománya hogyan reagál a mágneses mező változásaira? 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. Az impulzus vezető tekercsében mikor jelenik meg mágneses impulzus? Amikor a mágneses mező változása a 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. 5.2 A mágneses érzékelők alapvető típusai 4. Feladat Mely elemek érzékenyek a mágneses tér változásaira? A mágneses mező változásaira érzékeny elemek az elektromos csatoló (reed kapcsoló), a félvezető elem (Hall effektus), és a magnetorezisztor vagy impulzus vezető. Milyen előnyei vannak a mágneses érzékelőknek? A mágneses érzékelők hermetikusan zártak, házuk eltérő lehet, kis fizikai méretük mellett pedig széles működési tartománnyal rendelkeznek. Az alaptípusok nem igényelnek tápfeszültséget. Az alacsony áramerősségek mellett ezek a szenzorok több mint 1000 V-on üzemelő berendezéseket is kapcsolhatnak. 38

119 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos A mágneses szenzorok érzékelik a műanyag fal mögött elhelyezkedő tárgyakat? Igen, mivel a mágneses mező a legtöbb nem-mágneses anyagon áthatol, így az érzékelés diamagnetikus anyagokon keresztül is lehetséges, például csőben vagy konténerben. A mágneses érzékelők milyen anyagi minőségű céltárgyak detektálására alkalmasak? A mágneses érzékelők tetszőleges anyagú tárgyra szerelt állandó mágnes mágneses terére reagálnak. A céltárgy lehet maga mágneses, illetve lehet nem-mágneses anyag, melyhez egy mágnes kapcsolódik. Ebben az esetben maga a hordozó tetszőleges anyagból készülhet, ám anyagi minősége befolyásolhatja a mágnes hatását. Nem-ferromágneses anyagok növelik az érzékelési tartományt. A mágneses érzékelők milyen főbb elemekből épülnek fel? Egy a mágneses mező változására érzékeny elem, detekciós rendszer, valamint kimeneti rendszer. Ezen túl az érzékelők diódákat is tartalmazhatnak, melyek a működési állapotot jelzik. Ismertesse a reed kapcsolós érzékelők működésének elvét! A reed kapcsoló közeledő mágnesekre reagál. A mágnes által keltett mágneses mezőben a reed kapcsoló érintkezői mágneseződnek, majd amint a két kontaktus közötti vonzó erő meghaladja a rugalmas mechanikai erőt, az érzékelő állapota megváltozik, az áramkör zár. Ha nincs a közelben mágneses mező, milyen kimeneti állapot jellemző a reed kapcsolóra? 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. A reed kapcsolós érzékelők hány aktív felülettel rendelkeznek? 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. 39

120 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos Mely faktorok befolyásolják a reed kapcsolós érzékelők működési tartományának méretét? Az érzékelő maximális működési távolsága (S max ) a mágneses mező intenzitásától függ. 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. A reed kapcsolós kimenete hány vezetékből áll? A reed kapcsolós érzékelők három vezetékesek, de léteznek jelző dióda nélküli, két vezetékes változatok is. Ismertesse a Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő működési elvét! 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 a mágneses mező minden irányváltozására reagálnak? Nem feltétlenül, azonban 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. 40

121 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 5.3 Speciális mágneses érzékelők 5. Feladat Ismertesse a Wiegand érzékelő működési elvét! A Wiegand mágneses érzékelő működése az impulzus vezető mag polarizációja változásának észlelésén alapul. A mag mágnesezettségének irányát külső mágnese mező segítségével lehet megváltoztatni. Hogyan hozható létre irányát megváltoztató mágneses mező? Erre három lehetőség van: - Irányát változtató mágnese mező kicsi, mobil vagy állandó helyzetű mágnesek segítségével hozható létre. A külső mágneses mező polarizáltságának változása az impulzus vezető köré tekert tekercsben feszültség-impulzust hoz létre. - A második lehetőség a mágnesezettség irányának megváltozására az impulzus vezető mozgatása egy két, ellentétes polarizáltságú mágnest tartalmazó ház előtt. - 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. A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó mágneseket? Az impulzus vezető -re egy N/S polarizációs 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 Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó impulzus vezetőt? Először az impulzus vezető az N/S polarizációs mágnes mágneses terének, majd ezután a második mágnesnél az S/N mágnes terének van kitéve, így az impulzus vezető magjának polarizációja megváltozik. Ez hozza létre a kimenetre kerülő feszültség impulzust. A Wiegand érzékelő igényel tápfeszültséget? A Wiegand érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Általában két vezetékes kiszerelésben gyártják őket, és tökéletesen megfelelnek a nehéz működési körülmények közötti használatra. 41

122 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos 5.4 Szerelési követelmények A permanens mágnessel rendelkező érzékelők mely eleme érzékeny a mágneses mezőre? Ezek esetében a permanens mágnes köré tekert tekercs érzékeli a mágneses mező változását. A permanens mágnessel rendelkező érzékelők mit detektálnak? 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. A permanens mágnessel rendelkező érzékelő igényel tápfeszültséget? Az ilyen érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. A szenzorhoz közelítő ferromágneses anyag megváltoztatja a tekercsbe behatoló mágneses mezőt, és így a tekercs végein feszültség keletkezik. Mely faktorok befolyásolják a permanens mágnessel rendelkező érzékelők kimenetét? 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. 5. Feladat Befolyásolja a mágneses érzékelők működését az, hogy milyen anyagi minőségű tárgyra szereljük őket? A mágneses érzékelőket tetszőleges nem-ferromágneses anyagú tárgyra vagy tárgyba szerelhetjük. A szenzor adott felülettől mért magassága figyelmen kívül hagyható, akár egy szintben is lehet a felülettel. 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. Befolyásolja az érzékelő működését, ha a szenzor és a mágnes közé valamely vékony elemet helyezünk? Az érzékelő és a mágnes között esetlegesen elhelyezkedő nem ferromágneses anyag a mágneses érzékelő működését nem befolyásolja. Ezzel ellentétben, ha az érzékelő és a mág- 42

123 Mechatronikus komponensek Oktatói segédlet Minos nes közé ferromágneses anyagot helyezünk, a kimeneti állapot megváltozik, azaz ebben az esetben ez befolyásolja a működést. Sorolja fel a mágneses érzékelők főbb alkalmazásait! 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. 43

124 Mechatronika Modul 6: Mechatronikus Rendszerek és funkciók Oktatói segédlet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski Wojciech Kwaśny Zbigniew Rodziewicz Andrzej Błażejewski Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország 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.

125 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 1 Induktív érzékelők 1.1 Alapkonstrukció 1. Feladat Hogyan épül fel az induktív érzékelő aktív része? 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. Az induktív érzékelő hogyan határozza meg a tekercs és a detektált tárgy távolságát? A szenzor elektromos áramköre az amplitúdó csillapodása alapján határozza meg a tárgytól való távolságot, majd 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 tárgynak a szenzortól mért távolságával. Mi a hiszterézis? 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. Miért előnyös, ha az induktív szenzor hiszterézises? A detekciós rendszer mellett az érzékelő elektromos rendszere egy hiszterézises komparátorból és a kimeneti rendszerből áll. A hiszterézisnek köszönhetően a szenzor kimenetén esetlegesen fellépő interferencia elkerülhető. Interferencia legnagyobb valószínűséggel kapcsoláskor lép fel, mégpedig a detektálandó tárgy instabil helyzete, vibrálása, illetve a tápfeszültség és/vagy a környezeti hőmérséklet változása esetén Adja meg az induktív érzékelő működési frekvenciatartományát! Az induktív szenzorok változó mágneses teret létrehozó LCgenerátora nagyfrekvenciás (HF) generátorok, melyek 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. 3

126 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Mekkora az induktív érzékelő működési távolsága, és milyen házakba épül be? 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 a működési helyén optimálisan installálható. Hogy definiáljuk az érzékelő névleges érzékelési távolságát? A szenzor előlapjától a tárgynak az áramkör átváltását előidéző távolságát névleges érzékelési távolságnak (S n ) nevezzük. Ez az érték szerepel a katalógusokban. Az érzékelő névleges érzékelési távolsága mely tárgyra van meghatározva? A névleges érzékelési távolság (S n ) értékét az EN szabvány szerint egy négyzet alakú acél lemezzel (St37) határozzák meg, melynek oldalhossza megegyezik a szenzor átmérőjével, és vastagsága 1 mm. Mi a valós érzékelési távolság? A valós érzékelési távolságot (S r ) a gyártás során határozzák meg, és némileg eltérhet a névleges érzékelési távolságtól. A A névleges érzékelési feszültség és a nominális környezeti hőmérséklet esetén ez 0,9 S n S r 1,1 S n. Mi szenzor működési távolsága? A működési távolság a fémes tárgytól való azon biztonságos távolságnak felel meg, mely esetén a hibátlan működés garantálható. Az ajánlott működési távolság S a 0,8 S n. Milyen elemek befolyásolják az induktív érzékelő működési tartományát? A szenzor névleges érzékelési távolsága függ a ház átmérőjétől, pontosabban a tekercs átmérőjétől és a mag tulajdonságaitól. Így tehát a kisebb házba beépített szenzorok működési tartománya kisebb, mint a nagyobb méretű szenzoroké. Léteznek azonban speciális szenzor kivitelezési típusok, melyek növelik a működési tartományt. Induktív érzékelők esetén milyen szerepe van a redukciós tényezőnek? A detektált tárgy az áramkör rezonanciáját anyagától függő mértékben csillapítja. Az arany, réz vagy alumínium, melyek elektromos vezetőképessége nagyobb az St37 es acélé, a rezgést kisebb mértékben csillapítják. 4

127 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Ez az érzékelési tartomány csökkenését okozza. Ha például a detektált tárgy bronz, az St37 es acélra meghatározott érzékelési távolságot egy redukciós tényező segítségével kell módosítani: 0,5 S n. Az érzékelő kialakítása hogyan befolyásolja annak érzékenységét? Hengeres házban két alaptípus létezik: - Árnyékolt: a rezonáns áramkör induktív tekercse egy köpenyen belül helyezkedik el, mégpedig úgy, hogy a köpeny fémes felülete a szenzor frontális része. - 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 érzékeli. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolt érzékelők felszerelésekor? 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 frontális felületétől számítva a szabad tartomány 3S n.kell legyen Két, egymáshoz közel elhelyezkedő szenzor kölcsönös egymásra hatásának elkerülésére a köztük levő távolság legyen legalább az egyik szenzor átmérőjének kétszerese. Milyen szabályokat érdemes betartani az egymáshoz közel levő árnyékolatlan érzékelők felszerelésekor? Az árnyékolatlan hengeres szenzor érzékeny az őt körülvevő fémes tárgyakra, tehát a szabd terület oldalirányba is kiterjed, itt sem helyezkedhet el más tárgy. Az interferencia elkerülése végett a két szenzor távolsága itt legalább az átmérő háromszorosa legyen. Mit értünk az érzékelő kimenetének maximális átváltási frekvenciáján? Minden szenzor műszaki dokumentációja 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. 5

128 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 1.2 Speciális szenzorok A szabványos laptól eltérő tárgyak esetén milyen maximális átváltási frekvencia értékekre számíthatunk? 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. 2. Feladat Ismertesse a gyűrű érzékelők működésének elvét! Az induktív gyűrű-érzékelők működése egy nagy frekvenciás generátoron alapszik, mely a furaton belül mágneses teret hoz létre. A tekercs toroid nagy teljesítményű maggal rendelkezik, mely minőségi faktora jobb, mint a vasmagos tekercseké. Tetszőleges fémes tárgy jelenléte a rezgések amplitúdójának csökkentésén keresztül aktiválja a szenzort. Az amplitúdócsökkenést egy komparátor ismeri fel, ami a küszöb érték átlépésekor átváltja a kimeneti állapotot. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak méretére vonatkozólag? 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. Léteznek korlátozások a gyűrűs érzékelők által észlelhető tárgyak pályájára vonatkozólag? 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. Milyen negatív hatással lehetnek az erős mágneses terek az induktív érzékelők működésére? Az érzékelők erős mágneses mezőben (például hegesztő berendezések közelében) való felszerelése a kimenti állapot ellenőrizhetetlen viselkedésének veszélyével jár, mely a mágneses mező a mag szaturációs intenzitására kifejtett hatás a következménye. A keletkező plusz áram zavarja az oszcillátor működését és a kimeneti állapot véletlenszerű átkapcsolásához vezethet. 6

129 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Hogyan védhetjük az induktív érzékelőket az erős mágneses terekkel szemben? A hibás működés elkerülése érdekében 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 a legkevésbé érzékenyek. Itt a tekercs nem-mágneses, műanyag orsóra van feltekerve. Hogyan védjük az ívhegesztő berendezések közelében működő az induktív érzékelőket? A hegesztési folyamat alapvetően sok szikrával jár, mely károsíthatja az érzékelő házát, valamint az aktív felületet. A szikrák miatt az ilyen alkalmazásokra tervezett szenzorok Teflon bronz bevonatúak, első felületük pedig hőálló műanyaggal (Duraplast ) védett. Nevezzen meg néhány különleges működési körülményre tervezett érzékelő típust! Léteznek nagy nyomás, magas hőmérséklet, kémiailag agresszív környezet, olaj, nagy páratartalom esetére tervezett, vagy miniatűr érzékelők is. Milyen jellemzőkkel kell rendelkezniük a magas nyomáson működő induktív érzékelőknek? Nagy nyomású környezetben működő szenzorok felépítésének a belső elektronika védelme érdekében robusztusnak és jól tömítettnek kell lennie. A tekercset és a magot a frontális oldalát egy vastag, kopásálló kerámia korong védi. A tekercs védelmére egy kicsit hátrébb helyezkedik el ezáltal a lecsökken a működési tartomány. Ennek kiküszöbölésére egy módosított, nagyobb működési tartományt biztosító áramkörre van szükség. Mutassa be a NAMUR induktív érzékelők működésének elvét! 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 egy részlegesen csillapított tekerccsel rendelkező oszcillátorból és egy demodulátorból állnak. A detektált tárgy és a szenzor távolságának változása a 7

130 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos kiadott áram változásává alakul, melyet a külső erősítő kétállapotú jellé alakít. Sorolja fel a NAMUR induktív érzékelők fő jellemzőit! A NAMUR induktív érzékelők kimeneti jelei szigorúan meghatározott tartományban mozoghatnak. AZ EN (korábban EN 50227) szabvány szerint ez a tartomány 1,2 matől 2,1 ma-ig terjed. Minden DC erősítőről táplált NAMUR érzékelő áramkarakterisztikája megegyezik, és a szigorúan meghatározott átváltási hiszterézis 0,2 ma. A NAMUR induktív érzékelők milyen működési körülmények között használhatóak? 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. Mi a különbség az analóg kimenetű és a kétállapotú érzékelők között? A kétállapotú érzékelők csak a céltárgy jelenlétét vagy hiányát érzékelik. Ezzel szemben az analóg szenzorok a céltárgy elhelyezkedését is érzékelik. Egy tárgy távolságának S n -ről nullára változása a kimeneti jel 0-ról 20 ma-re való változásának felel meg. Mutassa be az induktív analóg érzékelők felépítését! Az induktív analóg érzékelők egy tekercset tartalmazó fejből, egy generátorból, egy linearizációs rendszerből és egy kimeneti rendszerből állnak. 1.3 Érzékelők kapcsolása és tápellátása 3. Feladat Az egyenfeszültség mekkora ingadozása megengedhető induktív érzékelők esetén? 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. 8

131 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 1.4 Biztonság és védelem Hogyan védjük a szenzort a tápfeszültség hirtelen csúcsai ellen? Az ilyen csúcsok elkerülése végett a stabilizált adapterek, vagy egy nagyobb jelsimító kondenzátor használata javasolt. Mi a különbség az NO és NC típusú érzékelők között? Mindkét típusú kimenet esetén rendelkezésre áll a NO normál esetben nyitott, és NC normál esetben zárt funkció. Az NO típus esetén a szenzor az áramot bekapcsolja, az NC típus pedig ki. Mi határozza meg a maximálisan sorba kapcsolható érzékelők számát? 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. Lehetséges a váltófeszültségű érzékelők közvetlenül a hálózati feszültségre történő csatlakoztatása? A váltóáramú érzékelőket nem szabad közvetlenül rákapcsolni az AC adapterre sem, ez ugyanis a szenzor belső áramköreit károsítaná. A váltóáramú érzékelőket az R L terhelő ellenállással sorba kell kapcsolni. 4. Feladat Az egyenfeszültségű érzékelők kimenetei mely nem-kívánatos hatásoktól védettek? A legtöbb egyenáramú 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 A DC érzékelők kimenetének esetleges rövidzárlata veszélyezteti a szenzor működését? 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. 9

132 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Mikor szükséges az érzékelő árnyékolásának földelése? Fém házban található érzékelők esetén, amennyiben azok tápfeszültsége az emberre veszélyes, földelésre van szükség. Milyen óvintézkedéseket kell tennünk az érzékelő elektromos áramköreiben fellépő szivárgási áramok kiküszöbölésére? 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 ekkor felveszi a szivárgási áramot, mivel ennek értéke kisebb, mint az ellenállás működéséhez szükséges áram. 10

133 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 2 Kapacitív érzékelők 2.1 Működési elv 1. Feladat A kapacitív érzékelők milyen anyag-összetételű céltárgyak detektálására alkalmasak? A kapacitív érzékelők az induktív érzékelőkkel ellentétben nem-fémes tárgyakat, például műanyagot is észlelnek. A kapacitív szenzor a szigetelő réteg mögött elhelyezkedő tárgyak detektálására is alkalmas, így gyakran alkalmazzák tartály falán keresztül folyadékok vagy pelletek észlelésére. A kapacitív érzékelőket általában közelítésérzékelőként használják, de a tárgy szenzortól mért távolságával arányos jel létrehozására is alkalmasak. Sorolja fel a kapacitív érzékelő fő alkotóelemeit! A kapacitív érzékelő a következő alkotóelemekből áll: fej elektródával, potenciométer (P), oszcillátor, detektáló áramkör, kimeneti áramkör. Mely elem az aktív elem? 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 alapkapacitás és a detektált tárgy által okozott kapacitásváltozás összege. A kapacitív érzékelő vezető vagy szigetelő anyagból készült céltárgyat detektál könnyebben, és miért? Az érzékelő vezető tárgyakat könnyebben érzékel. A szigetelő tárgyak, azaz például a papír vagy üveg a dielektrikum növelésével csak a szenzor kapacitását növelik. Ez a növekedés azonban kicsi, mivel a dielektrikum növekedése is 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 céltárgyak földelése befolyásolja az érzékelő működését? Igen, a céltárgy földelése növeli az érzékelési távolságot. A legnagyobb érzékelési távolságot úgy érhetjük el, ha a detektálandó tárgy a földelt vezető. Ekkor a tárgy és a szenzor közötti, további kapacitás az érzékelő saját kapacitásával párhuzamos kapcsolást alkot. 11

134 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 2.2 Szenzor típusok 2. Feladat A kapacitív érzékelőket általában milyen geometriai formában gyártják? A kapacitív szenzorok általában hengeres vagy kocka alakúak melyeknek aktív oldala az egyik lapos felület. Léteznek speciális készülékek is, melyeket sík vagy görbe felületek esetén használhatunk. Milyen hengeres érzékelő típusok léteznek? 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. Hogyan határozzuk meg az érzékelő valós érzékelési távolságát? A katalógusban található névleges érzékelési távolság (S n ) szabványos fémes tárgy esetén érvényes. A szenzor valós érzékelési tartományának (S r ) meghatározásához a nominális értéket egy az adott anyagra vonatkozó redukciós tényezővel kell megszorozni. Mitől függ a szerves (organikus) anyagok észlelésének távolsága? Az organikus 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. Két kapacitív érzékelőt egymástól milyen távolságban szerelhetünk fel? Kapacitív szenzorokat egymástól való távolsága legyen legalább 3*S n. Ha a két érzékelő egymás felé néz, ezen távolság kétszerese szükséges. 12

135 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 2.3 Interferencia kompenzáció 3. Feladat Különbözik az érzékelési távolság, ha a céltárgy réz vagy acél? Nem, az érzékelési távolság megegyezik. Vezető anyagú céltárgyak esetén az anyagösszetétel nem befolyásolja az érzékelési távolságot. Mely anyagot könnyebb érzékelni, a vizet vagy az olajat? A víz könnyebben detektálható, mivel dielektromos állandója 80, azaz a szigetelő anyagok között a legmagasabb. Az olaj dielektromos állandója 2,2. A szennyeződések hogyan befolyásolják az érzékelő működését? A szenzor elszennyeződése, a levegő nedvességtartalmának változása vagy az aktív felületen a harmatcseppek megjelenése helytelen működést eredményezhet. A szennyeződések a szenzor elektróda és az érzékelő felület közötti kapacitás növekedését okozzák. Lehetséges a szennyeződések hatásának csökkentése? Igen. Ha az interferencia mező homogén, egy további kompenzációs elektródát kapcsolunk az oszcillátor kimenetére, 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. Egy vékony tárgy (pl. papírlap) és a szenzor érintkezésekor fennáll annak a veszélye, hogy az interferencia jel semlegesíti a fő elektróda jelértékét, és az érzékelő nem kapcsol át. Hogyan semlegesíthetjük a külső elektromos mezők hatását? 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. 13

136 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 3 Ultrahangos érzékelők 3.1 Az ultrahangos érzékkelő működésének elve 1. Feladat Mutassa be az ultrahangos érzékelők működési módozatait! 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 érzékelővel történő mérés milyen szakaszokra osztható? Az ultrahangos mérések két szakaszból állnak: - az átalakító ultrahang-sugarat küld a céltárgy felé, - a céltárgy ultrahang-sugarat küld az átalakító irányába; ez a sugár az eredeti jel visszhangja. Lehetséges, hogy ugyanaz az átalakító adóként és vevőként is működjön? Igen. Diffúz sugaras szenzorok esetén a két funkciót ugyanaz a piezoelektromos átalakító végzi. Léteznek azonban olyan diffúz sugaras érzékelők is, melyek esetén a két funkciót külön házakban elhelyezkedő, különálló átalakítók végzik. Sorolja fel az ultrahangos érzékelő fő komponenseit! Az ultrahangos érzékelő fő alkotóelemei a nagyfeszültségű generátor, az érzékelő fejében elhelyezkedő piezoelektromos átalakító, a jelfeldolgozó rendszer és a kimeneti rendszer. Az ultrahangos érzékelők mennyire érzékenyek a külső hangok által előidézett interferenciára? Az ultrahangos érzékelők által keltett hanghullámok messze kívül esnek a hallható hangok tartományán (kb. 20 khz). A nagy frekvencia miatt gyakorlatilag érzéketlenek a környezet hanghatásaira. 14

137 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 3.2 Mérés menete 2. Feladat Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit! Az ultrahangos érzékelőket tárgyak, átlátszó és nem-átlátszó folyadékok szintjének detektálására, valamint távolságmérésre használjuk. Alkalmazhatjuk őket nagy portartalmú, valamint a magas fokú szennyezettség miatt más szenzorok számára alkalmatlan környezetben. A céltárgy anyagösszetétele hogyan befolyásolja az ultrahangos érzékelők érzékenységét? 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. Ismertesse az egy piezoelektromos átalakítóval rendelkező ultrahangos érzékelő működését! 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. Két, azaz jel generátor és vevő funkciós átalakítóval rendelkező szenzorok esetén az impulzus T i hosszának lényegesen rövidebbnek kell lennie, mint a visszhang megérkezéséhez szükséges idő T e. 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. Hogyan iktathatjuk ki a háttér hatását? A szenzor maximális érzékelési távolságát egy megfelelő potenciométer segítségével korlátozni lehet, így az adott távolságon kívül elhelyezkedő tárgyakat nem észleljük. Ezáltal a háttér kivágása megoldható. Mi okozza a holtteret? A holt tér az átalakító kettős funkciójának, azaz az adó és vevő működésnek a következménye, ui. az átalakító a visszhang fo- 15

138 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos gadására csak a hang impulzus kibocsátása után áll készen. A holt tér mérete a szenzor méretétől és érzékelési távolságától függ. Rövid, korlátozott érzékelési tartományú szenzorok holt tere kisebb, mint a nagyobb szenzorok holt tere. Lehetséges az ultrahangos érzékelők érzékelési tartománya alsó határának meghatározása? Néhány szenzortípus esetén az érzékelési távolság alsó határa is beállítható, azaz létrehozható egy kizárt tartomány is. Ekkor az aktív tartomány pontosan meghatározható. Milyen nyílásszögű érzékelők léteznek? 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. Hogyan definiáljuk az ultrahangos érzékelő működési tartományának meghatározására használandó szabványos tárgyat? 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. Ismertesse az átmenő sugaras érzékelők működési elvét! 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. Hogyan keletkezik a hang az átmenő sugaras szenzorok esetén? Átmenő sugaras szenzorok esetén, a diffúz és reflexiós szenzorokkal ellentétben az átalakító folytonos jelet állít elő, így tehát nincs holt tér. Sorolja fel az ultrahangos érzékelők főbb alkalmazási területeit! Az ilyen szenzorokat nem csak a hangot visszaverő, hanem az azt elnyelő vagy szóró, porózus anyagok észlelésére alkal- 16

139 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 3.3 Lehetséges hibák mazzák, de használhatjuk őket a diffúz sugaras szenzorok által nehezen észlelhető alakú tárgyak detektálására is. Az átmenő sugaras vagy a diffúz sugaras érzékelő típus rendelkezik nagyobb kapcsolási frekvenciával? Az átmenő sugaras érzékelők kimeneti állapot átkapcsolási frekvenciája nagyobb, mint a diffúz sugaras szenzoroké, elérheti a 200 Hz-et is. 3. Feladat Mely fizikai tulajdonságok befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? Az érzékelő működését befolyásolhatja a detektálandó tárgy közelében végbemenő hőmérséklet-változás, erősebb légáramlatok (széllökések), valamint a hang elnyelődése a detektálandó tárgy közelében. Hogyan befolyásolja a hőmérséklet változása a szenzor működését? A szenzor működési tartományában nagy mennyiségű hőt sugárzó tárgy következtében emelkedhet a hőmérséklet. Ez különböző hőmérsékleti zónák kialakulását eredményezheti, melyek megváltoztatják a hullám terjedésének idejét, és ezáltal csökkentik a szenzor pontosságát. A hőmérséklet emelkedése esetén a detektált távolság gyakran kisebb a valós távolságnál. 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. Milyen szerelési körülmények befolyásolhatják az ultrahangos érzékelők működését? 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. Ilyenek: a detektálandó tárgy felületének a szenzor referenciatengelyével bezárt szöge; a céltárgy alakja, ha a céltárgy felületéről visszavert sugár iránya nagyban eltér a szenzor tengelyének irányától; folyadékok hullámos felülete, érzékelők kölcsönös interferenciája. Zavarhatják egymást az érzékelők? Ha több érzékelő egymáshoz túl közel van felszerelve, az egyik szenzor által kibocsátott hullám visszhangját érzékelheti egy másik szenzor is, melynek kimeneti állapota ekkor szük- 17

140 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos ségtelenül megváltozik. Ennek elkerülése érdekében tartsuk be az érzékelők közötti ajánlott minimális távolságot. Hogyan kerülhetjük el az egymáshoz közel felszerelt ultrahangos érzékelők kölcsönös interferenciáját? Kettő vagy több szenzor megfelelő összekapcsolása lehetővé teszi egymás közelségében való elhelyezésüket interferencia veszélye nélkül. A szinkronizált szenzorok egy időben bocsátanak ki jelet, és egy, kiterjesztett akusztikus kúppal rendelkező érzékelőként működnek, mely ugyanazt a tárgyat detektálja. 3.4 Speciális ultrahangos érzékelők 4. Feladat Ismertesse a reflexiós ultrahangos érzékelők működési elvét! 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 visszavert hanghullámnak hamarabb kell visszaérkeznie, mint a reflektorról visszavert hullámnak. Ekkor az érzékelő kimeneti állapota megváltozik. Mely detektorok érzékenyek a hanghullám megszakítására? A retro-reflexiós érzékelők 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. Hogyan működnek azok a szenzorok, melyeknél egy házban két átalakító működik? Két átalakítós érzékelők egyszerre működhetnek diffúziós sugár 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. Távolságmérésre speciális szenzorokra van szükség? Az ultrahangos érzékelők nagy része mind kétállapotú, mind analóg kimenettel is rendelkezik. Ha távolság mérésére van szükség, a feszültség vagy áram kimenetet használjuk. A ki- 18

141 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos meneti feszültség vagy áram nagysága arányos a mért távolsággal. 19

142 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 4 Fotoelektromos érzékelők 4.1 Alapvető érzékelő típusok 1. Feladat Ismertesse az átmenő sugaras érzékelő működési elvét! 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. Mutassa be az átmenő sugaras érzékelők tulajdonságait! Érzékelési távolságuk ( > 50 m) a különböző típusú szenzorokat összevetve a legnagyobb. Nagyban érzéketlenek a külső körülményekre, pl. a porra, a lencséket elhomályosító szennyeződésekre, gőzre vagy párára. Milyen céltárgyakat kepések detektálni? Az átmenő sugaras érzékelők legfontosabb tulajdonsága, hogy bármilyen anyag esetén működnek. A felület lehet festett, áttetsző, átlátszó, érdes, sima, fém, műanyag, vagy szinte bármi más. A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől függ. Az érzékelő jelez, ha a céltárgy a sugár legalább 50%-át kitakarja. Ismertesse a retro-reflexiós érzékelő működési elvét! A retro-reflexiós érzékelők esetén az adó és a vevő egy házban helyezkedik el, a fény vevőbe való visszaterelésére reflektort használunk. A fénysugár felé haladó tárgy a sugarat megszakítja, és kimeneti jelet generál. Ezen érzékelők használatához speciális reflektorra vagy felragasztható visszaverő lapokra van szükség. A fénysugarakat szóró felületű céltárgy detektálása szinte lehetetlen, hiszen ekkor alig jut vissza fény a vevőbe. Ismertesse reflektorok és a fényvisszaverő lapok felépítését! A reflektor három egymással kölcsönösen derékszöget bezáró tükrökből álló rendszer. A rendszerbe belépő fénysugarat mindhárom tükör teljességében visszaveri, majd a beeső fénysugárral párhuzamosan lép ki. Mi korlátozza az effektív fénysugarat? A fénysugár mérete az adó és a vevő lencséjének átmérőjétől, valamint a reflektor méretétől függ. 20

143 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 4.2 Jelfeldolgozás Ismertesse a diffúz sugaras érzékelő működési elvét! A diffúz sugaras érzékelőket gyakran reflexiós vagy közelítő érzékelőknek is nevezzük, és a céltárgyak közvetlen detektálására használatosak. 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, és az így visszatér a vevőbe, és kimeneti jelet generál. Mutassa be a diffúz sugaras érzékelők tulajdonságait! 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. Hogyan határozzuk meg a diffúz sugaras érzékelők maximális érzékelési távolságát? 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. 2. Feladat Milyen faktorok zavarhatják a fotoelektromos érzékelők működését? Működési elvükből kifolyólag a fotoelektromos érzékelők érzékenyek a természetes és mesterséges külső források által keltett interferenciával szemben. Külső forrásból származó fénysugarak nagyban befolyásolhatják az emitter által generált fényáram erősségét, mely a szenzor hibás működéséhez vezet. Ennek kiküszöbölése érdekében a szenzorok rendelkeznek olyan belső áramkörökkel, 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 interferenciából adódó problémákat. Az alábbi ábra néhány jellegzetes mesterséges fényforrás spektrumát ábrázolja. 21

144 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Az érzékelők mely típusa a legérzékenyebb a zavaró tényezőkkel szemben? A diffúz sugaras érzékelők a legérzékenyebbek 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. Milyen előnyei vannak a fénymodulációnak? A moduláció azt jelenti, hogy az adó fényforrása csak rövid, az impulzusok közötti szünetnél rövidebb időre kapcsol be. Ennek előnye, hogy az érzékelők relatív érzéketlenek a környezet fényviszonyaival szemben, valamint nő az érzékelési távolság is. Ismertesse a fény polarizációjának jelenségét! 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. Fotoelektromos érzékelőkben hogyan használják a polarizált fényt? A polarizáció lehetővé teszi a céltárgyról visszaverődő és a más forrásból származó fényjelek megkülönböztetését. Hogyan polarizáljuk a fényt? Ha a fény egy polarizációs szűrőn halad keresztül, a sugárnak csak a szűrő polarizációjának megfelelő polarizáltságú része marad meg. A polarizált fény hogyan verődik vissza a tárgyak felületéről? A diffúz (diszperziós) visszaverődés megszünteti a polarizációt, és 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. Speciális eset a tripla-tükrös reflektor, mely esetén a be-és kilépő fény polarizációja megegyezik. Fotoelektromos érzékelők esetén mit értünk működési többlet -en? Az érzékelő működési többlete adja meg, hogy a beeső fény hányszorosa az érzékelő átkapcsolásához a szükséges fény- 22

145 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 4.1 Speciális érzékelők mennyiségnek. 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. Mekkora működési többletet használjunk? Még tiszta levegő esetén, és ha a lencsék elszennyeződésének valószínűsége minimális is, a működési tartalék legyen legalább 1.5. Kiemelkedően szennyezett környezetben, ahol a lencsék tisztításának lehetősége korlátozott, a tartalék legyen legalább 50-szeres. Definiálja a szenzor válaszadási idejét! A válaszadási idő a fénysugár az adó és a vevő közötti megjelenésének pillanatától egészen a kimeneti állapot megváltozásáig számítandó. 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. 3. Feladat Mi a különbség a polarizációs és a hagyományos retroreflexiós érzékelők között? 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, és nem a környező tárgyakról visszavert fény éri el a vevőt. A hagyományos érzékelők nem rendelkeznek szűrőkkel, így sokkal érzékenyebbek a külső zavaró hatásokra. Milyen lehetőségek állnak rendelkezésre az elő- és a hátér elnyomására? Több diffúz sugaras érzékelő típus esetén is megadható a minimális és maximális érzékelési távolság. Ennek semmi köze a szenzor érzékenységéhez, és a vevő lencséinek beállításával vagy a kiegészítő tükrök szögének megváltoztatásával eszközölhető. A háttér elnyomásának hatékonyabb módja annak elektronikus kivitelezése, amikor az érzékelő látja a hátteret, azonban ignorálja. Példa erre lehet egy két vevős diffúz sugaras érzékelő, vagy egy CCD kamerával vagy PSD átalakítóval felszerelt triangulációs érzékelő. 23

146 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Milyen üzemmódok lehetségesek elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők esetén? Elektronikus háttér elnyomással rendelkező érzékelők az alábbi három üzemmód egyikében működhetnek: - Az észlelési tartományon kívül elhelyezkedő tárgy elleni védelem (háttér elnyomás) - Az észlelési tartomány előtt elhelyezkedő tárgy elleni védelem (előtér elnyomás) - Csak a definiált tartományon belüli tárgy észlelése (ablak funkció) Milyen szenzorokat használunk a triangulációs érzékelők esetén? A triangulációs érzékelő lineáris PSD (pozícióérzékeny detektor) vagy CCD kamerát alkalmaz. Ennek köszönhetően az ilyen érzékelők távolság mérésére is alkalmasak. Mi az autokollimáció? Az autokollimáció a divergens fény automatikus párhuzamosítása. Ekkor kis sugár átmérő esetén is elég fény jut el a vevőbe. Az autokollimátoros retro-reflexiós érzékelők a hagyományos érzékelőkhöz képest milyen kiegészítő képességekkel rendelkeznek? Az autokollimáció lehetővé teszi átlátszó, vagy a szenzorhoz nagyon közel (a standard szenzorok holt terében) elhelyezkedő tárgyak felismerését is. Ismertesse az optikai szálak felépítését! 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. Magyarázza el a teljes visszaverődés jelenségét! A teljes belső reflexió jelensége 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. A fénysugár a határfelületről csak akkor verődik vissza, ha nagyobb törésmutatójú közegből halad a kisebb felé. 24

147 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 4.2 Csatlakozástechnika Milyen különbségek vannak az üveg és a műanyag optikai szálak között? 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. Ennél fogva az üveg optikai szálakat látható és infravörös fény továbbítására is használhatjuk, a műanyag szálak pedig csak látható fény vezetésére alkalmasak. Ismertesse az optikai szálas fotoelektromos érzékelők működésének elvét! 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. 4. Feladat A fotoelektromos érzékelők mely üzemmódokban működhetnek? A fotoelektromos érzékelők sötét (DO = dark operate) vagy világos (LO = light operate) üzemmódban működhetnek. Sötét üzemmódban az érzékelő kimeneti kapcsolója BE állapotban van, ha az adó fénye nem éri el a vevőt. 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. Mely elemek befolyásolják az érzékelő kimenetének kapcsolási tartományának alakját és méretét? 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 diagramm formájában ábrázolhatjuk. 25

148 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 5 Mágneses érzékelők 5.1 Érzékelőkben alkalmazott mágneses jelenségek 1. Feladat Mi a lágy és a kemény mágnes? Külső mágneses mezőbe helyezett ferromágneses anyagok a mágneses 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 kell magnetizálódniuk és de-magnetizálódniuk. Ilyenek például a vas, a Fe-Si, Fe-Al ötvözetek és a lágy amorf ötvözetek. Mi a 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 lesz. Ezt a feszültséget Hallfeszültségnek nevezik (V H ). Miért változik meg mágneses mező hatására a félvezető anyagok magnetorezisztanciája? 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. Mi a magnetorezisztív szalagra applikált elektródák szerepe? 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. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az impulzus vezetők? Az impulzus vezetők két mágneses tulajdonságok szempontjából eltérő tartománnyal rendelkeznek, a maggal és a köpenynyel. A mag lágy (keskeny hiszterézis), míg a köpeny kemény (széles hiszterézis) mágneses tulajdonságú. Az impulzus ve- 26

149 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos zetők kb. 0,3 mm átmérőjű ferromágneses anyagból készülnek, melyeket a megfelelő feszültségállapot létrehozása érdekében hidegen többszörösen megcsavarnak. Ismertesse a Wiegand-effektust! A Wiegand effektus a külső mágneses tér változásainak eredményeképpen egy egyedi mágneses tulajdonságokkal (impulzus vezető) rendelkező ferromágneses vezetőre feltekert tekercs meneteiben létrejövő elektromos impulzus. 5.2 A mágneses érzékelők alapvető típusai 2. Feladat Mely elemek érzékenyek a mágneses tér változásaira? A mágneses mező változásaira érzékeny elemek az elektromos csatoló (reed kapcsoló), a félvezető elem (Hall effektus), és a magnetorezisztor vagy impulzus vezető. Milyen előnyei vannak a mágneses érzékelőknek? A mágneses érzékelők hermetikusan zártak, házuk eltérő lehet, kis fizikai méretük mellett pedig széles működési tartománnyal rendelkeznek. Az alaptípusok nem igényelnek tápfeszültséget. Az alacsony ármerősségek mellett ezek a szenzorok több mint 1000 V-on üzemelő berendezéseket is kapcsolhatnak. A mágneses szenzorok érzékelik a műanyag fal mögött elhelyezkedő tárgyakat? Igen, mivel a mágneses mező a legtöbb nem-mágneses anyagon áthatol, így az érzékelés diamagnetikus anyagokon keresztül is lehetséges, például csőben vagy más konténerben. A mágneses érzékelők milyen anyag-összetételű céltárgyak detektálására alkalmasak? A mágneses érzékelők tetszőleges anyagú tárgyra szerelt állandó mágnes mágneses terére reagálnak. A céltárgy lehet maga mágneses, illetve lehet nem-mágneses anyag, melyhez egy mágnes kapcsolódik. Ebben az esetben maga a hordozó tetszőleges anyagból készülhet, ám anyagi minősége befolyásolhatja a mágnes hatását. Nem-ferromágneses anyagok növelik az érzékelési tartományt. A mágneses érzékelők milyen főbb elemekből épülnek fel? Egy a mágneses mező változására érzékeny elem, detekciós rendszer, valamint kimeneti rendszer. Ezen túl az érzékelők diódákat is tartalmazhatnak, melyek a működési állapotot jelzik. 27

150 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Ismertesse a reed kapcsolós érzékelők működésének elvét! A reed kapcsoló közeledő mágnesekre reagál. A mágnes által keltett mágneses mezőben a reed kapcsoló érintkezői mágneseződnek, majd amint a két kontaktus közötti vonzó erő meghaladja a rugalmas mechanikai erőt, az érzékelő állapota megváltozik, az áramkör zár. Ha nincs a közelben mágneses mező, milyen kimeneti állapot jellemző a reed kapcsolóra? 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. A reed kapcsolós érzékelők hány aktív felülettel rendelkeznek? 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. Mely faktorok befolyásolják a reed kapcsolós érzékelők működési tartományának nagyságát? Az érzékelő maximális működési távolságát (S max ) a mágneses mező intenzitásától függ. A mágneses mező vonzásának nagysága az érzékelő longitudinális és transzverzális frontális 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. Minden esetben azonban a mágnes y-irányú közeledése vagy távolodása esetén csak egy KI (OFF)-BE (ON) vagy BE (ON)-KI (OFF) váltás történik. A reed kapcsolós kimenete hány vezetékből áll? A reed kapcsolós érzékelők három vezetékesek, de léteznek jelző dióda nélküli, két vezetékes változatok is. 28

151 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Ismertesse a Hall effektuson alapuló mágneses érzékelő működési elvét! 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. 5.3 Speciális mágneses érzékelők 3. Feladat Ismertesse a Wiegand érzékelő működési elvét! A Wiegand mágneses érzékelő működése az impulzus vezető mag polarizációja változásának észlelésén alapul. A mag mágnesezettségének irányát külső mágneses mező segítségével lehet megváltoztatni. Hogyan hozható létre az irányát megváltoztató mágneses mező? Erre három lehetőség van: - Az irányát változtató mágneses mező kicsi, mobil vagy állandó helyzetű mágnesek segítségével hozható létre. A külső mágneses mező polarizáltságának változása az impulzus vezető köré tekert tekercsben feszültség-impulzust hoz létre. - A második lehetőség a mágnesezettség irányának megváltozására az impulzus vezető mozgatása egy két, ellentétes polarizáltságú mágnest tartalmazó ház előtt. - 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. A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó mágneseket? Az impulzus vezető -re egy N/S polarizációs 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 29

152 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos az impulzus kerül közvetlenül, vagy feldolgozás után a kimenetre. A Wiegand érzékelő hogyan detektálja a mozgó impulzus vezetőt? Először az impulzus vezető az N/S polarizációs mágnes mágneses terének, majd a második mágnesnél ezután az S/N mágnes terének van kitéve, így az impulzus vezető magjának polarizációja megváltozik. Ez hozza létre a kimenetre kerülő feszültség impulzust. A Wiegand érzékelő igényel tápfeszültséget? A Wiegand érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. Általában két vezetékes kiszerelésben gyártják őket, és tökéletesen megfelelnek a nehéz működési körülmények közötti használatra. A mágneses érzékelők mely eleme érzékeny a mágneses mezőre? Ezek esetében a permanens mágnes köré tekert tekercs érzékeli a mágneses mező változását. A mágneses érzékelők mit detektálnak? 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. A permanens mágnessel rendelkező érzékelő igényel tápfeszültséget? Az ilyen érzékelők nem igényelnek tápfeszültséget. A szenzorhoz közelítő ferromágneses anyag megváltoztatja a tekercsbe behatoló mágneses mezőt, és így a tekercs végein feszültség keletkezik. Mely elemek befolyásolják a permanens mágnessel rendelkező érzékelők kimenetét? 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. 30

153 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 5.4 Szerelési követelmények 4. Feladat Befolyásolja a mágneses érzékelők működését az, hogy milyen anyag-összetételű tárgyra szereljük őket? A mágneses érzékelőket tetszőleges nem ferromágneses anyagú tárgyra vagy tárgyba szerelhetjük. A szenzor adott felülettől mért magassága figyelmen kívül hagyható, akár egy szintben is lehet a felülettel. Ha az érzékelőt ferromágneses anyagra kell szerelnünk, lehetőség szerint minél inkább távolítsuk el az anyag felületétől. Ajánlott valamely nem mágneses (dielektrikum) szigetelő réteg használata is, mely az érzékelőt elválasztja a ferromágneses anyagtól. Befolyásolja az érzékelő működését, ha a szenzor és a mágnes közé egy vékony elemet helyezünk? 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. Sorolja fel a mágneses érzékelők főbb alkalmazásait! A mágneses érzékelőket többek között az alábbi területeken alkalmazzák: - Detektálandó céltárgy műanyag fal túloldalán (csőben vagy más konténerben). - Céltárgyak észlelése agresszív környezetben, védő burkolaton keresztül. - Céltárgyak észlelése magas hőmérsékletű környezetben. - Mozgó és forgó tárgyak észlelése. 31

154 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 6 Érzékelők feladatai mechatronikus rendszerekben 1. Feladat Sorolja fel a modern mechatronikus rendszerekben elhelyezkedő érzékelők főbb feladatait! Az érzékelőket az alábbiak megfigyelésére használjuk: a rendszerek teljesítménye működési körülmények között a működési paraméterek mérésének segítségével a folyamat paramétereinek megfelelő vezérlése a paraméterek értékének folyamatos vagy periodikus megfigyelésével működés során fellépő zavarok, diagnosztika segítségével működési tulajdonságok romlása, hibák, karbantartási diagnosztika segítségével. Az érzékelők a mechatronikus rendszerek mely működési paramétereit ellenőrzik? Az ellenőrzött működési paraméterek a következők lehetnek: a mozgások névleges sebessége és gyorsulása a tárgyak és szerelvények helyzete, pozicionálása, orientációja a mozgás pályája (távolsága), a kiegészítők mozgásának néveleges sebessége az átadott és alkalmazott (névleges) terhek (erő, nyomás, áram, elektromos teljesítmény, nyomaték) a rendszer működésének megfelelő hőmérsékleti körülmények, az integrált mozgási képesség a rendszer és a modulok energetikai tulajdonságai (teljesítmény, nyomaték). A mechatronikus rendszerek mely funkciói esetén szükséges az érzékelők közreműködése? A funkció kimenetének felismerése A funkció készenléti állapotának felismerése. Funkció aktiválása Funkciók működésének ellenőrzése Funkció működésének befejezése Funkció deaktiválása Funkció működésének megszakításának felismerése 32

155 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Mi a szenzorok szerepe a mechatronikus rendszerekben? Az érzékelők szerepe a diagnosztikai rendszerekben végeredményben a mechatronikus rendszer helyes működése szempontjából fontos paraméterek precíz és megbízható mérése. 2. Feladat Az érzékelők mely információkkal látják el a rendszert? az éppen folyamatban lévő munkafolyamat megfelelősége a szerszámok állapota, pl. vágószerszámok élessége a chipek állapota a szerszámok és a munkadarab hűtésének folyamatossága a felületi réteg állapota méretek, stb. A mechatronikus rendszerek működésének felügyelete során milyen szerepet játszanak az érzékelők által mért jelek? Az érzékelők mérési jeleit a rendszer feldolgozza, majd összehasonlítja az előírt értékekkel. A két érték halmaz közötti bármely eltérés azonnali korrigáló jelet, vagy hibakompenzációt eredményez. A mechatronikus rendszerek karbantartása során az érzékelők által mért jelek segítségével milyen információkhoz juthatunk? A diagnosztika egyik kiemelkedően fontos formája a használati idő alatti folyamatos vagy periodikus karbantartási diagnosztika. Ekkor felmérjük a mechatronikus rendszerek elhasználódásának mértékét, ezáltal meghatározható a rutin javítások és a releváns működési paraméterek korrekciójának menete és mértéke. A felmérés a rendszer komponenseinek elhasználódására utaló paraméterek mérésével történik. Az ilyen rendszerekbe a szenzorok állandó módon be vannak építve, de lehetséges egy- vagy többszenzoros mérőrendszerekkel végzett periodikus mérés is. 33

156 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos 7 Busz rendszerek 7.1 Digitális feldolgozás, digitális interfészek 1. Feladat Mi a busz, és milyen előnyökkel rendelkezik? A busz vezetékek és kapcsolási áramkörök rendszere, melynek segítségével az összekapcsolt eszközök között jeleket lehet továbbítani. Előnyök: - az adatátvitel költsége jelentősen csökken - az érzékelő és a vezérlő közötti távolság lényegesen növelhető, - a kalibrációra és karakterisztikára vonatkozó adatok is továbbíthatók. Mi a jeldigitalizálás és -kvantálás? Az analóg jelek digitalizálása annak mintavételezése segítségével történik, azaz adott időintervallumonként rögzítjük az analóg jel érték. Ezt nevezzük az analóg jel kvantálásának. Ez azt jelenti, hogy az analóg el csak egy megadott tartományon belüli értékkel rendelkezhet. Mutassa be a soros adatátvitelt! Az adatok soros átvitele azt jelenti, hogy minden adatbit (0 vagy 1) másképpen kódolt a legegyszerűbb esetben: - az áram ki-/bekapcsolása, - különböző feszültségértékek közötti váltás, - a feszültség értékének pozitívról negatívra váltása, és fordítva. A jeleket alternatív áramerősséget felhasználó módszerek segítségével is küldhetjük, alkalmazva például: - az amplitúdó modulációt - a frekvencia modulációt - a fázis modulációt. Mutassa be a párhuzamos adatátvitelt! A párhuzamos adatküldés esetén a legegyszerűbb esetben legalább néhány, például nyolc vezetékre van szükség. A párhuzamos adatátvitel legnagyobb előnye annak gyorsasága. Hátrányai közé tartozik a szükséges vezetékek nagy száma, ami megnöveli a kábelezés költségét, valamint a vonalak közötti áthatás is lehetséges. Ennek valószínűsége az áthidalandó távolság növekedésével nő. Ezért a párhuzamos adatátvitelt általában kis távolságok esetén használják. 34

157 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Mi az RS 232C interfész? Az RS 232C interfész az adó és a vevő közötti átvitelt szabályozó szabvány. A szabvány a terminál (DTE: Data Terminal Equipment) és a kommunikációs eszköz (DCE: Data Communication Equipment) közötti interfészt, azaz a terminál és a modem közötti kapcsolatot írja le. Az RS 232C szabvány az adatok legfeljebb 15 m távolságra való továbbítását teszi lehetővé, a maximális továbbítási sebesség 20 kb/s. Két eszköz, egy adó és egy vevő összekapcsolását teszi lehetővé. 7.2 Kommunikációs hálózatok: alapismeretek, kezelés 2. Feladat Mutassa be egy vállalat kommunikációs szerkezetét! A legalsótól a legfelsőig öt szintet különböztetünk meg: - Érzékelők és aktuátorok szintje - Csoport vezérlése - Folyamatvezérlés - Termelésvezérlés - Vállalatvezetés Mutassa be a csillagtopológiás hálózatokat! Az ilyen topológia esetén a teljes információ egy központi csomóponton halad keresztül. A központi csomópont lehet egy számítógép, vagy bármely más hálózati eszköz. A csomópont kontrollálja a hálózat információáramát. Az egyes terminálok közvetlenül nem tudnak egymással kommunikálni. Az ilyen felépítés esetén a hálózat nagyban függ a központi csomópont teljesítményétől, melynek károsodása a teljes hálózat összeomlásához vezethet. Mutassa be a gyűrűtopológiás hálózatokat! A gyűrűtopológia lényege, hogy minden állomás, beleértve a szervert is, két szomszédos állomással áll közvetlen kapcsolatban. Az összeköttetés körkörös, folyamatos gyűrű (megszakítás nélküli, de szükségszerűen kört képező), ebből következően a hálózatnak nincs végcsatlakozása. Bármely pontról elindulva végül visszatérünk a kiindulóponthoz, hiszen az adat csak egy irányban halad. Az üzeneteket a gépek lemásolják, majd átadják a szomszédjuknak, s ha az nem a szomszédnak szólt, akkor az is továbbítja. Addig vándorol az üzenet gépről gépre, amíg el nem érkezik a címzetthez. Az ilyen topológiában a küldő felismeri, vajon az üzenet elért-e a címzetthez. 35

158 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos Mutassa be a busztopológiás hálózatokat! Ez a topológia a legkedveltebb, és leggyakrabban használt szerkezeti felépítés. Gyakran nevezik lineáris topológiának is. Minden eszköz egy közös adatvezetékhez, a buszhoz kapcsolódik. Elméletileg az ilyen hálózatban minden eszköz minden eszközzel kommunikálhat. Minden eszköz azonos hozzáférési joggal rendelkezik. Mi a fieldbusz? A fieldbusz egy teljesen digitális, kétutas, soros kommunikációs rendszer, mely a mérő és vezérlő elemek közötti összeköttetést biztosítja. Egy olyan hálózatot hoz létre, amely összeköti a gyártás vezérlésében, menedzsmentjében és automatizálásában használt eszközöket, és gondoskodik az adatok valós idejű átviteléről. Lehetővé teszi a gyártás folyamatvezérlésének decentralizálását, valamint az intelligens eszközök használatát is, mely megnöveli a kommunikációs rendszer rugalmasságát, és csökkenti a költségeket. Mit jelent a központosított vezérlés? Központosított vezérlés esetén a folyamatról érkező minden jel egy központi vezérlő rendszerbe érkezik. Tipikus példa a PC, melyhez minden érzékelő és aktuátor kapcsolódik. A központosítás további módja a multiplexerek és ipari hálózatok használata, melyek az összes, analóg és digitális, kimeneti és bemenetei jelet összegyűjtik. A jeleket a multiplexerben gyűjtjük, majd a hálózaton keresztül jutnak el a vezérlő rendszerhez. Mit jelent a elosztott vezérlés? A jelenlegi fejlődési irány az általában túlterhelt központi feldolgozó egységek által végzett feladatok alacsonyabb szintű, lokális intelligenciával ellátott hálózati eszközökre való átruházása irányába mutat. Az így rájuk ruházott intelligencia segítségével az eszközök képesek elemi vezérlési funkciók ellátására. Az ilyen vezérlést lokális intelligenciájú elosztott vezérlésnek nevezzük. Mi az OSI modell? AZ OSI modell, egy az ISO és ITU-T szervezetek által definiált szabvány, mely a hálózati kommunikáció szerkezetét írja le. Az OSI modellt a legtöbb kommunikációs protokoll referenciamodelljének tekintjük. A legnépszerűbb modell az OSI-RM (OSI 36

159 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos referencia modell). A modell alapja a hálózati rendszer 7 független szintre osztása. Az Internet esetén az egyszerűsített DoD modell érvényes, ez csak 4 szintre oszlik. Az OSI RM tehát 7 rétegre osztja a kommunikáció során fellépő folyamatokat. A szintek az események természetes sorrendjének megfelelően épülnek fel. Az 1-3 szintek a hálózati hozzáférést biztosítják, a 4-7 szintek pedig a kommunikációs logisztikáját kezelik. 7.3 Busz rendszerek A modell esetén két alapvető területet különböztetünk meg: - Alacsony, átviteli szintek: 1-4, - Magasabb szintű, felhasználó orientált szintek: Feladat Mutassa be az AS-I buszt! Eredetileg a módszert ipari alkalmazások esetén az egyes érzékelők elérésnek olcsó lehetőségeként hozták létre, azonban népszerűsége nagyon megnőtt, hiszen számtalan lehetőséget kínál, beszerelése és használata egyszerű, és járulékos költségei is alacsonyak. Az átadott adat a lehető legegyszerűbb, mindössze a be- / kikapcsolt állapotról ad tájékoztatást. Minden szegmens legfeljebb 31 eszközt tartalmazhat, 124 bemenet (input) és 124 kimenet (output) létezik, így a 2.0 verzió esettén a szegmensenkénti kapacitás 248 I/O. Mutassa be a CAN buszt! A CAN általában busztopológiás, de a csatlakozóhelyeket csillagtopológiába is kapcsolhatjuk. Eredetileg a kommunikáció számára, az adatátvitel megvalósítására csak árnyékolt kábelt használták, azonban manapság már más megoldásokat is alkalmazunk, például száloptikai kábeleket, rádióhullámokat, infravörös sugárzást, stb. Az adatközvetítő fizikai megvalósításától függően az adatátvitel sebessége elérheti az 1Mbit/s-ot. Mutassa be a DeviceNet busz típust! A DeviceNet a CAN kommunikációs protokollján alapszik. Nyitott rendszer, azaz minden állomás azonos hozzáférési jogokkal rendelkezik. A sugárzó médiumhoz való hozzáférésért folytonos vetélkedés zajlik (CSMA/CR), és az előállító / vevő modellen alapszik. Az információcsere információszórás (sugárzás) segítségével történik. A DeviceNet esetén ez azt jelenti, hogy minden állomás megkapja a hálózatba érkező összes 37

160 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos adatot, majd lokális szűrés után csak a kiválasztott adatokra reagál. Lehetőség van a Master-Slave szerkezet kialakítására is, azonban az adatszóró állomás nem rendelkezik olyan mechanizmussal, mely be tudná tartatni a hierarchiát. A DeviceNet adatátviteli sebességei: 50 m-re: 1.0 Mbit/s 100 m-re: 500 kbit/s 500 m-re: 125 kbit/s Mutassa be az Interface-S buszt! A hálózat gyűrűtopológiára épül, azonban a kétirányú adatátvitel, mely összeköti az eszközöket, egyetlen közös kábelen keresztül zajlik, így a hálózat felépítése inkább egy fára hasonlít. A fő hálózathoz maximum 16 alhálózatot rendelhetünk hozzá. Ezen hálózat számára hozták létre az Interbus Loop-ot, mely a legalsó szintű elemek kommunikációját biztosítja, és egyetlen kábelen keresztül biztosítja az adatok továbbítását és az érzékelők és aktuátorok tápellátását. Az Interbus master-slave típusú busz, mely legfeljebb 512 eszköz 16 alhálózatba való összekapcsolását teszi lehetővé. A hálózati csomópontok címe azok fizikai helyéhez kapcsolódnak, így valamely eszköz csatlakozása vagy leválása esetén nem szükséges a többi csomópont újracímzése. Az új eszköz automatikusan fizikai helyének megfelelően kap rendszerinformációt, azaz a rendszer szinte plug-and-play típusú. Mutassa be a Profibus-t! Jelenleg a Profibus DP és FMS kommunikációs, és RS-485, IEC fizikai profilokat, valamint az optikai szálas adatátvitelt támogatja. Legszélesebb körben a Profibus DP profilt használják, mely az adatátviteli sebesség, hatékonyság és az automatizálási rendszer költségének csökkentésére optimalizál. A Profibus DP az OSI modell két legalsó rétegét használja. A Profibus FMS univerzális kommunikációs profil, mely lassabb, mint a DP, azonban az intelligens eszközökkel való kommunikációt támogató számos funkcióval rendelkezik. A kommunikációs funkciókat az OSI modell 7. rétege (alkalmazási réteg) definiálja. Ezen a rétegen kívül az 1. és a 2. réteget is használja. Mutassa be a Profibus DP-t és PA-t! Fő feladatuk a vezérlés decentralizációja, tehát a vezérlés alacsonyabb szintre való transzferálása, az analóg input és output 38

161 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos jelek elosztása, a feldolgozási kártyák az objektumhoz lehető legközelebb történő elhelyezése. A hálózat alapja egy, a hálózatot menedzselő fő állomás (master), melyhez másodlagos eszközök (slave) kapcsolódnak. A master állomás általában egy vezérlő vagy PC-alapú operátori állomás, a slave állomások pedig különböző termékek és áramkörök széles választéka lehet. Ide tartozhatnak a kétállapotú és analóg jelek I/O kártyái, motorok, munkahengerek, frekvenciamodulátorok, operátor panelek, konverterek, súlyozó modulok, intelligens vezérlő állomások, számítógépek, stb. Az FMS és FDL szabványokhoz hasonlóan a hálózat telepítésének fő eszköze a Step7 nevű szoftver, melyet a Siemens fejlesztett ki. Nevezze meg az Ethernet szerkezetű hálózatok néhány előnyét! Az Ethernet egyre terjed, mivel a standard hálózatokkal szemben számos előnnyel rendelkezik: - magas adatátviteli sebesség (jelenleg 100 Mb/s-ig) - a hálózat topológiájának (szerkezetének) kvázi határtalansága - gyakorlatilag korlátlan bővíthetőség, - világmértékű szabványosság, - a világhálóhoz való csatlakozás (TCP/IP szabvány) - az ebben a hálózatban alkalmazott technológia folyamatos fejlődése. Mi a NOAH projekt? Az egyik egyesítést célzó projekt a NOAH (Network Oriented Application Harmonization) projekt, melynek célja egy általános interfész (egyetlen program) létrehozása, melyet a különböző, az európai EN szabvánnyal kompatibilis eszközök konfigurálására és felmérésére lehetne használni. A NOAH program az ISO/OSI modell alkalmazási rétegét használja. Ezáltal biztosítható, hogy a hálózat fajtájától függetlenül installálásakor azonos hálózati hozzáféréssel (paraméterbeállításokkal, diagnosztikai és vezérlési funkciókkal) rendelkezik majd. Az automatizálási eszközök, azaz az érzékelők, transzmitterek, motorok szervo vezérlői, egyszerű I/O rendszerek, funkciójuknak megfelelően mind jól definiált tevékenységi körrel rendelkeznek. A NOAH projekt az ilyen kiegészítő funkciók leírásának szabványa lenne. Minden eszköz leírását (annak virtuális képének létrehozását) lehetővé teszi majd a DDL (Device Description Language) segítségével. A valóságban az eszköz leírása több szintre osztható: az univerzális paramétereket tartalmazó szintre, a konverziós szintre és a paraméterek 39

162 Mechatronikus rendszerek és funkciók Oktatói segédlet Minos legmélyebb szintjére. A rendszerek közötti kommunikáció és vezérlés egy az érzékelők tulajdonságainak leírását tartalmazó tömbök segítségével zajlik. 40

163 Mechatronika Modul 8: Mechatronikus rendszerek távdiagnosztikája és karbantartása Oktatói segédlet (Elképzelés) Készítették: Jerzy Jędrzejewski 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.

164 Távdiagnosztika és karbantartás Oktatói segédlet Minos 1 A távdiagnosztika és karbantartás célja és feladatai 1. Feladat Mi indokolja a diagnosztika alkalmazását? A gépek hibás működése illetve károsodása a termelés késéséhez vagy akár leállásához vezet, amelynek költségvonzata nem elhanyagolható. Ennek elkerülése érdekében a gépek és folyamatok folyamatos felügyelete szükséges, lehetővé téve a zavarok megelőzését vagy időbeni elhárítását. Mi a távdiagnosztika feladata? A távdiagnosztika feladata a szükséges diagnosztikai információ (jelek) továbbítása a (kis vagy nagyobb távolságra elhelyezkedő) vevő, felügyeleti állomás vagy felügyeleti központ felé. Egy megfelelő, intelligens tanácsadó vagy szakértői rendszer, vagy akár egy szakértő felméri a zavar mértékét, meghatározza a kár mértékét, és meghozza a szükséges döntéseket. Távolról előrejelzést ad, felméri az eltéréseket és azonosítja a működési paraméterek hibáját. Mi a távkarbantartás feladata? A távszervizelési rendszer feladati közé tartoznak az alábbiak: - A mechatronikus rendszer (gép és berendezés) működési paramétereinek súlyos eltérésének megakadályozása a zavarok csökkentésével és a hibák kiküszöbölésével - Súlyos hibák és defektek előrejelzése. Így lehetőség nyílik tervezett és előkészített, megelőző intézkedések megtételére - A szerviz- és karbantartási munkálatok a felhasználó számára legmegfelelőbb működési időszakban való megtervezése Milyen előnyökkel jár az érzékelők távoli kommunikációs központokkal való összekapcsolása? Az érzékelők kommunikációs hálózatba kapcsolása a diagnosztikai eljárás szinte határtalan kiterjesztését teszi lehetővé, hiszen ekkor már nem csak egyetlen szenzort, hanem szenzorok csoportjait alkalmazhatjuk. Ennek eredményeképpen az érzékelők által közvetített információt a szabályzó,,a diagnosztikai és az előrejelző rendszerek is használhatják. 3

165 Távdiagnosztika és karbantartás Oktatói segédlet Minos 2 Diagnosztikai rendszerek elve, felépítése és működése 2. Feladat Sorolja fel a diagnosztika számára fontos bemenő adatokat! A diagnosztika bemenő adatai: - diagnosztikai jelek tulajdonságai, adatgyűjtési pontok (érzékelő elhelyezkedése, változások üteme, üzembenállás), - kontrollált értékek határértékei, - a keletkező jel és a berendezésben vagy folyamatban keletkező zavar közötti összefüggés, - érzékelők és mérőműszerek (érzékenységi küszöb, komplexitás, adaptálhatóság, szám, költség, automatizáltsági fok), - a begyűjtött információ formája, - a jelfeldolgozás módja, - verifikációs módszer(ek), - jelvevővel való kommunikáció módja, - diagnosztikai stratégia, - következtetések létrehozásának módja. Milyen követelményeket támasztunk egy diagnosztikai rendszer tervezésével szemben? A diagnosztika tervezésével szembeni követelmények: - a diagnosztikai jel legyen érzékeny a gép/folyamat teljesítményében beálló változásokra, - vegye figyelembe a gép/folyamat kopásának mértékét, - ismerje a kiszolgáló személyzet hozzáértésének mértékét, - legyen megbízható, - működtetésének költsége legyen lehetőség szerint alacsony. Jellemzően milyen komponensekből épül fel egy diagnosztikai rendszer? Egy tipikus, mechanikus tárgyak diagnosztizálására használt egység jellemzően az alábbi komponensekből áll: 1. Mérőrendszer (érzékelő, összehasonlító rendszer ez felelős az energiaellátásért és a jelek információinak összehasonlításáért; diagnosztikai csatlakozók) 2. Jelátalakítók (nem villamos jelből villamos jelet állítanak elő 3. Műveleti erősítők, A/D átalakítók, csatornaválasztók, I/O portok, egyéb 4. Digitális jelfeldolgozó (a diagnosztikai tünetek kiszámítására) 4

166 Távdiagnosztika és karbantartás Oktatói segédlet Minos 5. Döntéshozó rendszer (tartalmaz logikai átalakítókat, feszültségszint átalakítókat, digitális komparátorokat, és hasonlókat) 6. Információ kijelző rendszer, mely dekódolja az információt, majd a felhasználó számára értelmezhető módon megjeleníti (képernyőn, nyomtatón, analóg vagy digitális kijelzőkön, stb.) 7. Információ tároló rendszer (memória: RAM, RAM-DISK, VDISK) 8. Szoftver (operációs rendszer, jelfeldolgozó és analizátor, állapotdiagnosztika és predikció, diagnosztikai egység funkcióinak kivitelezése, rendszerszintek közötti kommunikáció, rendszer működésének felügyelete). 3 Szervizdiagnosztikai rendszerek elve és működése 3. Feladat Mi a célja, és miből áll a szervizdiagnosztika? Egy berendezés vagy folyamat működtetésénél kétféle diagnosztikát lehet megkülönböztetni: általános diagnosztikát, mely arról tájékoztatja a felhasználót, hogy a fellépő zavarok a megengedett határokon belül mozognak-e, és a termék megfelelő pontossággal készül-e, a szervizdiagnosztikát, amelynek célja a periodikus hibakorrekció és a helyes működési paraméterek visszaállítása. A szervizdiagnosztika a berendezés állapota kopásának felügyeletéből áll, a hibajavítás vagy tervezett karbantartás a felhasználó számára megfelelő, rövid leállási idő alatt történő végrehajtása érdekében. A szervizdiagnosztika célja tehát a berendezés működési paramétereinek visszaállítása a szükséges folyamatpontosság biztosítása érdekében. Mutassa be egy gép paramétereinek változását a kopási folyamat során,, és ezek segítségével a műszaki állapotára vonatkozó besorolását! Ha a tünet túllépi az U d megengedett értéket, a berendezés már nem működik tökéletesen, de korlátos ideig még használható, azaz még képes feladatainak ellátására. Ha a tünet túllépi az U g határértéket (ez jelöli a javítások elvégzésének lehető legkésőbbi időpontját), a berendezés már nem használható. A szervizelhető (javítható) és nem szervizelhető területek néha enyhén fedik egymást. A fedésben levő terület az a tartomány, amikor a berendezés már nem teljesen üzemképes, azonban még javítható. 5

167 Távdiagnosztika és karbantartás Oktatói segédlet Minos Milyen irányban halad a diagnosztika fejlődése? A távdiagnosztika és karbantartás mögött komoly gazdasági érdekek állnak, hiszen hozzájárulnak a berendezés élettartamának meghosszabbításához. A berendezés élettartamának meghosszabbítására való törekvés tehát a diagnosztika és a felügyeletei rendszerek fejlesztését vonja maga után. Ezen felül, a gyártás növekvő globalizációjával párhuzamosan egyre inkább szerteágazóbbá válik, így a mechatronikus rendszerek, technológiai folyamatok és gyártott termékek megbízhatóságának növelése érdekében egyre inkább szükség lesz a távdiagnosztika és karbantartás alkalmazására. Ez azt jelenti tehát, hogy a moduláris diagnosztikai rendszerek fejlesztése tovább folytatódik, és az intelligens érzékelők egyre több diagnosztikai funkciót látnak majd el. Természetesen ezt követi majd a mérőrendszerek miniatürizálása és integrációja. A távdiagnosztika és- karbantartás egyértelműen a berendezések teljes diagnosztikai lefedettsége és felügyelete, valamint az előrejelzéseken nyugvó karbantartás irányába halad. 6