Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

109
Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Filip Škeřík Michal Růžička Vladislav Bezouška Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

description

Katedra elektrotechniky a automatizace Technická fakulta, ČZU v Praze Miloslav Linda Filip Škeřík Michal Růžička Vladislav Bezouška. Roboty a manipulátory Snímače RaM I. K čemu slouží SNÍMAČE ROBOTŮ?. Odměřování polohy v prostoru Regulace dynamických pohybových veličin - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Page 1: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Katedra elektrotechniky a automatizace

Technická fakulta, ČZU v Praze

Miloslav LindaFilip Škeřík

Michal RůžičkaVladislav Bezouška

Roboty a manipulátory

Snímače RaM I.

Page 2: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

K čemu slouží SNÍMAČE ROBOTŮ?

Odměřování polohy v prostoru Regulace dynamických

pohybových veličin Snímače pro technologické

operace (měření,..) Kalibrace Speciální

Page 3: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Základní rozdělení

Podle funkce Absolutní Inkrementální

Dle druhu práce se signály Analogová Digitální

Dle vazby na měřený objekt Dotyková Bezdotyková

Page 4: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Druhy snímačů

Indukční Kapacitní Magnetické Optické Ultrazvukové

Page 5: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Indukční senzory

Page 6: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Princip snímače je založen na změně impedance cívky vlivem vířivých proudů indukovaných ve snímaném předmětu

Pracují bezdotykově Bez zpětného působení Jsou odolné vůči vlivům provozního

prostředí Vysoká spolehlivost

Základy

Page 7: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Náhrada mechanických koncových spínačů

Zpětné hlášení polohy akčního členu (ventilu,..)

Inspekční úloha Počítání kusů Regulační úloha (poloha, rychlost)

Použití

Page 8: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Princip

Aktivním prvkem je cívka umístěná na jádru poloviny feritového hrníčku. Vysokofrekvenční střídavý proud generovaný oscilátorem protéká cívkou a vytváří magnetické pole, které vystupuje z otevřené strany hrníčku = aktivní plocha senzoru.

Jestliže se nachází v blízkosti této aktivní plochy předmět z elektricky vodivého materiálu, dojde k deformaci magnetického pole

Page 9: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Princip

Page 10: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Blokové schéma

Page 11: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Principiální schéma oscilátoru

Page 12: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Základní konstrukční provedení je válcový tvar

Jedna čelní plocha je zároveň aktivní plocha snímače

Pouzdro z plastu nebo kovu Provedení hladké a ze závitem Na aktivní ploše se nachází cívkový

systém

Druhy provedeníVálcové a kvádrové tvary

Page 13: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Vnitřní uspořádání válcového senzoru

Page 14: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Je vzdálenost mezi clonkou a čelem senzoru, při které dojde ke změně výstupního signálu

Jako měřící clonka je předepsána destička silná 1mm

Jmenovitá spínací vzdálenost je pouze charakteristická veličina bez ohledu na nějaké tolerance

Bývá uvedena v typovém znaku senzoru

Spínací vzdálenost

Page 15: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Spínací vzdálenost

Page 16: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reální spínací vzdálenost musí být splněna při jmenovitém napájecím napětí a při teplotě okolo 20 oC

Odchylka je povolena max. o +10% Užitná (provozní) spínací vzdálenost je ta, která musí být

splněna v celém rozpětí napájecího napětí a okolní teploty Odchylka je povolena max. o +10% Pracovní vzdálenost je ta, ve které je snímač, za

předpokladu dodržení provozních podmínek bezpečně aktivován

Leží mezi nulou a nejmenší hodnotou užitné vzdálenosti

Spínací vzdálenost

Page 17: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Hystereze je rozdíl vzdáleností dvou bodů při axiálním pohybu clonky v jednom a druhém směru, ve kterých došlo k sepnutí a rozepnutí výstupu senzoru

Typická velikost je v rozpětí 1…15% Reprodukovatelnost je definována jako přesnost

minimálně dvou měření v časovém úseku osmi hodin, při teplotě okolí 15…30 oC a napětí jmenovité hodnoty

Obvyklá hodnota je max. 2 %

Hystereze

Page 18: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Provedení snímací hlavy

Page 19: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Dosažení větších spínacích vzdáleností požaduje vysoký činitel jakosti

Proto se cívky vinou na feritových jádrech Vyšší činitel jakosti znamená i delší reakční

dobu senzoru = omezení spínací frekvence Ovlivňování činitele jakosti cívky závisí na

poměru specifikované vodivosti a permeabilitě snímaného předmětu

Největší spínací vzdálenost dává konstrukční ocel

Senzory s redukčním faktorem 1

Page 20: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Nazývané indukční závory Mají dva proti sobě umístěné cívkové systémy, které vytvářejí

transformátor s velkou vzduchovou mezerou a volnou vazbou Každá cívka představuje jedno vinutí oscilátoru V nezatlumeném stavu stačí vazba obou cívek kmitání

oscilátoru Jestliže vnikne do zářezu (mezi cívky) kovová clonka, dojde

opět k indukci vířivých proudů a vzájemná vazba se sníží Při určité hloubce vniku dojde k podkročení kritické zpětné

vazby natolik, že oscilátor přestane kmitat a senzor změní výstupní signál

Zářezové senzory

Page 21: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Schéma zapojení indukční závory

Page 22: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Používá se feritový kroužek, který cívku po obvodě obepíná

Působí jako odstínění magnetického pole vně snímače, takže aktivní prostor leží uvnitř cívky

Jakmile se kovový předmět nachází uvnitř kroužku, oscilátor se zatlumí

Aplikačním příkladem je zjišťování celistvosti tyčí nebo drátů, které jsou transportovány snímačem

Kruhové senzory

Page 23: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Cívkový systém kruhového senzoru

Page 24: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jsou speciálně konstruovány pro úlohy, v nichž se musejí rozlišit feromagnetické a neferomagnetické materiály

Používají se k zjištění přítomnosti hliníkového obrobku v ocelovém upínači

Na feritový hrníček je navléknut specificky tvarovaný kroužek, který předtlumení vyvolá a tím sníží činitele jakosti ani na polovinu nezatlumeného stavu

Selektivní senzory

Page 25: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Nemají spínací bod Výstupní signál je spojitý Funkční vzdálenost tlumící clonky sahá

téměř od čela snímače až k jmenovité hodnotě užitné vzdálenosti a definuje tak jeho pracovní rozsah

Tvar pouzdra je válcový nebo kvádrový Systém snímání je základní jednocívkový

Analogové senzory

Page 26: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Analogové senzory

Page 27: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Z hlediska napájení: stejnosměrné a univerzální Dvou, tří a čtyř drátové připojení Výstup může být: spínací, rozepínací, přepínací Na straně senzoru realizuje rozhraní koncový

stupeň Ten je vazebním článkem mezi senzorem a

zákaznickým rozhraním (relé, PLC, ..) a musí splňovat požadavky: napájení senzoru, vyhodnocování signálu, převod signálové úrovně a zesílení, potlačení rušení, ..

Rozhraní indukčních senzorů

Page 28: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jsou k dispozici dvou, tří a čtyř drátové provedení Dvoudrátové se připojují k zátěži sériově Nemají definovanou polaritu vodičů a chovají se

tak jako magnetický kontakt Tří a čtyř drátové mají napájení oddělené Pro spínání zátěže mají jeden nebo dva výstupy Rozlišuje se plusové a mínusové spínání, podle

toho zda koncový tranzistor připojuje zátěž ke kladnému nebo zápornému pólu napájecího zdroje

Stejnosměrné senzory

Page 29: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Stejnosměrné senzoryPřipojení dvou, tří a čtyř drátových senzorů

Page 30: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Maximální počet v sérii zapojených senzorů je omezen součtem napěťových úbytků každého senzoru a tím dodržením nezbytného napětí pro zátěž

U tří drátových je třeba dát pozor při zapínání na vnitřní časové zpoždění každého snímače označované jako doba ustálení, které způsobí prodloužení reakční doby celé soustavy

Řazení senzorů

Page 31: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Řazení senzorů

Page 32: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Řazení senzorů

Page 33: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Nebezpečí přetížení koncového stupně spočívá v nárůstu ztrátového výkonu a tím teploty výstupního polovodičového prvku na nepřístupnou hodnotu, což by vedlo k jeho zničení

Ochrana proti přetížení je použití termistoru skladným teplotním součinitelem do série se zátěží

Další ochrana je omezení výstupního proudu na konstantní hodnotu

Nejpružnější je taktované přetížení = jestliže vznikne přetížení, výstup zátěž odepne a po určité době (100 ms) ji opět zapne

Ochrana proti přetížení výstupu

Page 34: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kontrola správného umístění plechovky Zjištění přítomnosti hliníkové tuby na

ocelovém trnu Hlídání krajních poloh pneumatického

ventilu v prostředí s nebezpečím výbuchu

Příklady použití

Page 35: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kapacitní senzory

Page 36: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kapacitní senzory

Pracují jako indukční senzory Bezdotykově, bez zpětného působení, s

polovodičovým výstupem Dají se s nimi detekovat kovové i

nekovové materiály Aplikace: snímání nekovových

předmětů, hlídání kapalin a sypkých hmot

Page 37: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Princip

Aktivním prvkem kapacitního senzoru je kotoučová elektroda uvnitř válcového pouzdra, které působí jako stínění

Obě tyto elektrody vytvářejí kondenzátor Přiblížením clonky ke snímací ploše senzoru

se změní kapacita kondenzátoru Kondenzátor je součástí RC oscilátoru, jehož

výstupní napětí je závislé na aktivní kapacitě mezi elektrodou senzoru a stíněním

Page 38: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kapacitní senzory

Page 39: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Blokové schéma kapacitního senzoru

Page 40: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Citlivost

Je definována jako změna kapacity, při které se změní signál na výstupu senzoru

Abychom získali představu o velikosti potřebné změny, sledujeme případ uzemněné vodivé clonky

Problém je možné zredukovat na kondenzátor s kruhovými deskami o průměru 30 mm

Page 41: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Redukční činitel

V závislosti na materiálu nevodivé clonky vychází rozdílní uměna kapacity

Tento jev je pozorovatelný na výstupu jako změna spínacího bodu

Proto se definuje materiálově závislý redukční činitel Ten říká kolikrát se zmenší spínací vzdálenost u

daného materiálu clonky vzhledem ke jmenovité spínací vzdálenosti, která platí pro uzemněnou kovovou clonku

Page 42: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Praktické provedení, RC oscilátor

Page 43: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Rušivé vlivy

Hlavní zdroje rušení jsou elektromagnetická střídavá pole

Ta indukují do vysokoimpedančního vstupu oscilátoru přes snímací elektrodu rušivá napětí, která vybudí jeho kmitání

Zdroje těchto polí jsou zářivky, magnetické ventily, tyristorové regulátory nebo radiové vysílače

Rušení se dají odstranit změnou frekvence oscilátoru, pokud síla pole není příliš velká

Page 44: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kompenzace znečištění čelní plochy

Účelem této kompenzace je, aby spínací vzdálenost i při znečištění čelní plochy (kapky, prach) zůstala zachována

Dosahuje se toho použitím přídavné kompenzační elektrody ve tvaru hrníčku, která je umístěna mezi snímací elektrodu a stínění a je připojena na výstup

Jedná se o tzv. aktivní stínění, kdy sousední elektrody jsou na stejném potenciálu a kapacitní proud může téci

Page 45: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Kompenzace znečištění čelní plochy

Page 46: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Příklady realizovaných aplikací

Hlídání výšky hladiny tabletek na dopravníku

Hlídání úniku kapalin, hlídání netěsnosti na mechanických spojích

Page 47: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Magnetické senzory

Page 48: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jsou založeny na principech známých z měření magnetického pole

Zdrojem magnetického pole bývá trvalý magnet, který je umístěn na snímaném předmětu

Magnet můžu být i součástí senzoru, pak musí být snímaný předmět feromagnetický

Magnetické senzory

Page 49: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Snímání poloh pneumatických válců Snímání hladin kapalin a sypkých

materiálů (magnet je v plováku) Jednoduché identifikační systémy

Nejčastější aplikace

Page 50: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Magnetické pole válcového magnetu ovlivněné feromagnetickým předmětem

Page 51: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Senzory s Hallovou sondou

Vektor magnetické indukce B je kolmý k destičce. Tím začne působit napříč proudu intenzita elektrického pole E=v.B a zároveň E=UH/bSoučinitel 1/n.e se nazývá Hallova konstanta RH [cm3/A.s]

Page 52: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Koncentrace vodivých elektronů je u běžných polovodičových materiálů silně teplotně závislá a u čistých kovů je RH pro měřící účely příliš malý

Nejvhodnější materiál pro Hallovy destičky je GaAs

Použitá planární technologie výroby dovoluje umístit na destičce ještě další funkční prvky jako jsou proudový zdroj, teplotní kompenzace a výstupní zesilovač

Senzory s Hallovou sondou

Page 53: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Vnitřní zapojení magnetického senzoru s Hallovou sondou

Page 54: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Prvním opatřením je umístit na snímaném předmětu magnet

Se zvětšující vzdáleností mezi magnetem a sondou se snižuje její napěťový signál

Další varianta snímání je použití ocelové destičky jako snímací předmět, který vyvolá deformaci magnetického pole a tím zmenšení indukce na sondě

Senzor s Hallovou sondou je možné použít i pro zjišťování úhlu natočení

Odklánění magnetu od kolmice vyvolá snížení napětí sondy dle funkce cos(α)

Aplikace čidla v senzoru přiblížení

Page 55: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Rezistory závislé na magnetickém poli dokáží totéž co Hallovy sondy

Nejčastější použití je pro senzory přiblížení Nejvíce používaným materiálem je polovodičová

destička, často InSb, ve které jsou příměsi NiSb Bez magnetického pole prochází proud

polovodičem nejkratší cestou. Když začne působit magnetické pole, proud se stranově vychýlí, musí urazit delší dráhu a destička vykáže větší odpor

Magnetorezistivní sondy

Page 56: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Aplikace čidla

Page 57: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Původně se používaly pro zjišťování slabých magnetických polí, především v geofyzice k měření zemského magnetizmu

Využívají nelinearity magnetizační křivky měkkých magnetických materiálů s vysokou permeabilitou

Materiál jádra je uvnitř magnetizační cívky a je periodicky nasycován

Ve druhé, snímací cívce sondy se indukuje napětí

Senzory s nasycovaným jádrem cívky

Page 58: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Blokové schéma senzoru s nasycovaným jádrem čidla

Page 59: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

V průmyslu našly uplatnění především sondy s přesycovaným jádrem

Vůči Hallovým a magnetorezistentním sondám mají řádově vyšší citlivost

Zkompletovaný magnetický senzor má při stejných rozměrech větší dosah než dosah senzor indukční a může být umístěn i v hliníkovém pouzdře

Nevýhodou je nutnost použití magnetu na snímaném předmětu

Použití

Page 60: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Snímací charakteristika magnetoindukčního senzoru

Page 61: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Díky velké citlivosti se magnetoindukční senzory hodí pro pneumatické válce všech průměrů

Potřebná magnetická indukce na příložné, akční ploše senzoru může mít velké rozpětí 3,5 … 35 mT

Tím nejsou kladeny na magnet žádné velké nároky

Magnet může být umístěn spolu s čidlem uvnitř pouzdra senzoru

Page 62: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Hlídání dolní a horní meze agresivní kapaliny

Hlášení krajní polohy pneumatického válce

Příklad realizovaných aplikací

Page 63: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Optické senzory

Page 64: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Přesněji: optoelektronické nebo fotoelektronické

Nejvíce používané senzory v průmyslové automatizaci

Aplikace: dopravníkové úlohy, regulace polohy navíjených pásů, hlídání rozměrů na velké vzdálenosti, hlídání hladin, inspekční úlohy s rozlišením barvy

Stále menší rozměry a vyšší výkonnost

Optické senzory

Page 65: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Přeměna elektrického proudu na elektromagnetické vlnění (světlo) a naopak

Pod pojmem světlo se rozumí elektromagnetické spektrum od ultrafialové oblasti přes oblast viditelného světla až po infračervené oblasti

Důležité moderní vysílací prvky jsou luminiscenční diody (LED) a polovodičové laserové diody

Jako přijímací prvky se používají fotodiody, fototranzistory a diody s laterálním efektem (PSD)

Fyzikální základy

Page 66: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jsou polovodičové prvky, které mají jeden PN přechod

Přiložením napětí v propustném směru přechodu a z toho plynoucí proud I dochází ke vstřikování elektronů do pásma P a der do pásma N

Aby se při tomto vstřikování dostal elektron z energetické úrovně valenčního pásma E1 na vyšší energetickou úroveň E2 , musí se mu dodat minimální energie

Luminiscenční diody

Page 67: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Polovodičové lasery obsahují v každém případě vysoce dotovaný přechod PN na bázi GaAs

Vstřikováním nosičů náboje je vytvořen předpoklad pro vyzařující rekombinaci

Indukovaná emise a optická rezonance v polovodičovém krystalu propůjčují laseru jeho typickou vlastnost – emitovat koherentní světlo.

Koherence znamená, že jednotlivá kvanta světla mají stále stejnou frekvenci a stále stejnou fázi

Laserové diody

Page 68: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jednoduchá (vlevo) a dvojitá heterogenní struktura polovodičového laseru

Page 69: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Úkolem fotodiod je převod přijatého světelného signálu na elektrický proud

Jestliže u luminiscenční diody vyvolá vstřikování nosičů náboje v přechodu PN vyzařující rekombinační procesy, pak se u fotodiody jedná o pochod obrácený

Na základě různých koncentrací nosičů v oblasti P a N, vytvoří se bez vnějšího působení tzv. zóna prostorového náboje, která pohyblivé nosiče náboje neobsahuje

Fotodiody PN a PIN

Page 70: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Činnost fotodiody PN

Page 71: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Zapojení fotodiody v propustném (vlevo) a závěrném směru

Page 72: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Je tvořena přechodem, který má vrstvu s vlastní vodivostí uzavřenou mezi vrstvy P a N

Tím dojde k převaze driftových proudů a PIN dioda získá na rychlosti

Má vyšší mezní kmitočet a kratší dobu náběhu Širší zóna prostorového náboje u PIN diody

působí zmenšení kapacity přechodu v závěrném směru, která ve spojení se zamýšlenou zátěží představuje dolnofrekvenční propust

Tím se podstatně zrychlí dynamické chování systému

Dioda PIN

Page 73: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Jsou to fotodiody s tranzistorem jako zesilovačem fotonového proudu

Dynamické chování je ve srovnání s fotodiodou relativně horší

Proti fotodiodám není u fototranzistorů závislost mezi dopadajícím světelným výkonem a z toho plynoucím proudem fotonů již zcela lineární, a v rozsahu čtyř dekadických řádů se odchyluje od přímky až o 20%

Nepříznivá je i teplotní závislost

Fototranzistory

Page 74: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Dioda s laterálním=stranovým efektem (Position Sensitive Detector)

Jedná se o variantu PIN diody Principiálně představuje PSD fotodiodu s přijímací

světlocitlivou plochou ve tvaru pásku Na obou čelních stranách této struktury jsou

umístěny dva kontakty k1 a k2 Na spodní straně se nachází společný kontakt

substrátu PSD má vedle odporu přechodu ještě odpor na něj

kolmý – odpor osvětlované plochy

Liniový optoelektronický prvek PSD

Page 75: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Mají nejblíže k senzorům přiblížení – zjišťují přítomnost nějakého pro technologii určujícího předmětu

Snímají nebo měří světlený výkon a porovnávají ho s nastavenou požadovanou hodnotou

Umění vzdálenost již přesně změřit a umějí také zpracovat další optické parametry jako kontrast a barvu

Reflexní senzor

Page 76: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní senzor

Page 77: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní senzor v difúzním provedení

Page 78: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Metoda vyhodnocení je založena na použití dvou různě směrovaných přijímačů a na porovnávání intenzit světla, které na ně dopadlo

Jedná se pouze o poměr intenzit, na jejich velikostech téměř nezáleží

Přítomnost objektu bude signalizována výstupen jen tehdy, bude-li intenzita světla na P2 rovna nevo větší než na přijímači P1

Reflexní senzor s pevnou vzdáleností potlačení pozadí

Page 79: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní senzor s pevnou vzdáleností potlačení pozadí

Page 80: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

U reflexních závor se světlo vyzařuje vysílačem a od odrazky se vrací zpět

Při přesušení optické dráhy objektem dojde k aktivování výstupu senzoru

Reflexní závory mají dosah 0,1 až 10 m Reflexní závory připouštějí zjišťování

pouze netransparentních objektů Efektivní paprsek má tvar kužele, jehož

základnou je právě odrazky

Reflexní závora

Page 81: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní závory

Page 82: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní závora

Page 83: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Činnost jednocestné závory

Page 84: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Světlovodič je vytvořen z transparentních skleněných nebo plastových vláken, které slouží k tomu, aby přenášely světelnou energii

Jsou to pouze pasivní prvky, které se připojuji v místech, kde u kompaktních senzorů byly čočky

Vláknová optika nabízí komplexní odolnost senzoru vůči prostředí a rušení

Optické vlákno je válcový dielektrický vlnovod zhotovený z nízkoztrátového materiálu

Obsahuje skleněné nebo plastové jádro obalené vrstvou materiálu – plášťem, který má nižší hustotu a tudíž nižší index lomu než jádro

Vláknová optika

Page 85: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Vláknová optika

Page 86: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Konstrukce skleněného světlovodiče

Page 87: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Rušivé vlivy u optosenzorů

Page 88: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Místo lineárního přijímacího prvku se používá dvojice fotodiod se společnou anodou (nebo katodou) a v technické dokumentaci se jí říká diferenciální fotodioda

Použití triangulační metody se dosahuje nezávislosti snímání na intenzitě světla

Používá se především u analogových senzorů pro měření vzdálenosti

Je potřeba, aby přijímač uměl vyjádřit proměnnou polohu stopy paprsku

Triangulační metoda

Page 89: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Optoelektronická triangulace

Page 90: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Zjišťování přítomnosti průhledné fólie Obsah průhledných obalů Zjišťování chybné etikety Zjišťování přítomnosti pečiva na výrobní

lince

Příklady realizovaných aplikací

Page 91: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Ultrazvukový senzory

Page 92: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Ultrazvukem označujeme akustické vlny ve frekvenčním rozsahu nad hranicí lidské slyšitelnosti

Horní hranice ultrazvuku se dnes bere 1GHz Zvuk vzniká chvěním hmoty, která toto chvění

předává hmotným částicím prostředí, například vzduchu

Zvukové vlny se mohou šířit jen hmotou Vzduchoprázdnem se nešíří Ve vzduchu nastává zhušťování a zřeďování čístic

Fyzikální základy

Page 93: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Vznik ultrazvukové vlny

Dvě sousední místa maximálně nebo minimálně zhuštěných částic tvoří zvukovou vlnu

Page 94: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Podélná zvuková vlna se na mezní ploše mezi dvěma médii rozdělí na část odraženou a na část prošlou

Když je médiem pevná látka, vznikne vedle podélného stlačování i přímé

V tomto případě vzniknou u odražené i prošlé vlny vedle podélných složek také složky příčné

Obecně se tyto podélné i příčné složky odrážejí, případně lámou pod různými úhly

Odraz a lom na mezních plochách

Page 95: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Šíření vlnění je vždy spojeno s přenosem energie

Energie se šíří od zdroje rychlostí šíření vlnění Jelikož vyzářená energie roste s časem, je lepší

se vyjadřovat výkonem přenášeným vlněním Tento výkon se vztahuje na jednotku plochy

kolmé ke směru šíření vlnění a nazývá se měrný výkon

Energie a intenzita vlnění

Page 96: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Směrová vyzařovací a snímací charakteristika, dosah 4 m

Page 97: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Snímací charakteristika ultrazvukového senzoru pro různé druhy snímaných předmětů

Page 98: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Senzory pro měření vzdálenosti pracují na principu měření času odezvy (echa)

Poněvadž se vyhodnocení odezvy provádí na stejném místě jako byl ultrazvukový signál vyslán, označuje se takový způsob snímání jako reflexní nebo difuzní podle analogie s optickými senzory

Měnič vyšle v časovém okamžiku t0 několik impulzů, které se šíří daným prostředím rychlostí zvuku c

Narazí-li tato dávka na nějaký předmět, část vlnění se odrazí a dojde po době návratu zase zpátky k senzoru

Činnost ultrazvukových senzorů

Page 99: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Odezva, která se vrátí v čase t1 je detekována buď stejným měničem, nebo samostatným druhým měničem (přijímačem) a potom zesílena v následujícím zesilovači na signál schopný dalšího zpracování

Vyhodnocovací elektronika zjišťuje vzdálenost předmětu Měří čas běhu signálu tím, že v bodě t0 měření nastartuje

a v bodě t1 s příchodem odezvy měření zastaví Jestliže se pro vyslání a příjem používá jediná měnič, je to

systém jednoduchý

Činnost ultrazvukových senzorů

Page 100: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Blokové schéma jednosystémového ultrazvukového senzoru

Page 101: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Blokové schéma elektroniky přijímače a vysílače

Page 102: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Vedle vysílací a přijímací části potřebuje ultrazvukový senzor jednotku k řízení taktování a k vytvoření výstupního signálu

Jelikož tato jednotka musí plnit komplexní řídící úkoly, je vhodné ji realizovat mikropočítačem

Vyhodnocovací elektronika prování: taktování, řízení šířky vysílacích impulzů, zjišťování doby běhu odezvy, rozpoznání rušivého zvuku, řízení výstupů a test samokontroly

Mikropočítač dává k dispozici rozhraní pro komunikaci s nadřazeným systémem

Ultrazvukové senzory

Page 103: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Reflexní závora: označována jako dvoucestná, u které jsou vysílač i přijímač v jednom pouzdru a odraz zajišťuje reflektor

Jednocestná závora: u které vysílač i přijímač jsou v samostatných pouzdrech a jsou umístěny proti sobě

U obou druhů provozu jsou vysílač i přijímač řízeny impulzem definované délky, který vyrábí vyhodnocovací jednotka

Ultrazvukové senzory v režimu závory

Page 104: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Činnost senzoru v režimech reflexní závory

Page 105: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Definice rozsahů ultrazvukového senzoru, vyzařovací charakteristika

Page 106: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Je definována vyzařovacím úhlem a dosahem Aktivní rozsah je maximální dosah, uvnitř

kterého může senzor zjistit přítomnost normou definovaného předmětu

Definovaný předmět je tuhá, hladká a čtvercová destička, obvykle 100x100x1 mm, umístěna kolmo k ose vyzařovací charakteristiky

Vyzařovací charakteristika

Page 107: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Snímání polohy desky

Page 108: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Počítání průhledných tvarovaných plastových lahví

Detekování přítomnosti lahví v prostředí se stříkající vodou

Zjišťování výšky hladiny materiálu pohlcujícího zvuk

Příklady realizovaných aplikací

Page 109: Roboty a manipulátory Snímače RaM I.

Děkuji za pozornost