Senzori

Senzori ________________________________________________________________________

3.

SENZORI

Ako su aktuatori „miši i“, onda su senzori „ ula“ svakog mehatroni kog sistema. Svaki mehatroni ki sistem obavezno uklju uje senzorsku, upravlja ku i aktuatorsku jedinicu. U takvom sistemu, senzorska jedinica ima zadatak da informiše kontrolnu jedinicu o tome šta se trenutno doga a u sistemu. Na osnovu tih informacija i željenog ponašanja sistema kontrolna jedinica daje zadatke aktuatorskoj jedinici o tome koje aktivnosti je potrebno preduzeti tako da bi stvarno ponašanje sistema bilo što bliže (ili ako je mogu e indenti no) željenom ponašanju. Prema tome, senzori su ure aji koji na osnovu promjene fizikalnih veli ina na ulazu (temperatura, kretanje, sila, pritisak, itd) proizvode srazmjerne izlazne signale (elektri ne, mehani ke, itd). Ako se signali definišu kao materijalni nosioci informacije raznih fizikalnih veli ina, onda se senzori mogu definisati kao pretvara i jednog oblika signala (energije) u drugi oblik. Ovo pretvaranje je uvijek na niskom energetskom nivou, itj. na nformacionom nivou. Zato se termini „pretvara “ (eng. transducer) i senzor esto koriste kao sinonimi. Tako na primjer, temperaturni senzor termopar na promjenu temperature na ulazu odgovara srazmjernom promjenom elektri nog napona na izlazu. Ovo pretvaranje se može shvatiti u smislu mjerenja, jer je izlazna veli ina ustvari mjera ulazne veli ine – mjerene veli ine. Postoji mnogo na ina na koji se može realizovati senzor neke fizikalne veli ine. Na primjer, za mjerenje ugla zakretanja možemo koristiti ili potenciometar ili opti ki enkoder. Koji od njih koristiti to zavisi od konkretnog sistema gdje se senzor koristi i od uslova ekspolatacije sistema i senzora. Ako je u pitanju ugao zakretanja leptira karburatora onda je, zbog uslova eksploatacije motora i mogu nosti ugradnje, lakše koristiti potenciometar, a ako je u pitanju mjerenje ugla zakretanja stola glodalice onda je, zbog zakretanja koja su ve a od 3600, esto povoljnije koristiti enkoder. To je razlog što se za mjerenje iste fizikalne veli ine koriste razli ite vrste senzora, odnosno razli iti principi pretvaranja jedne fizikalne veli ine u drugu. Priroda je nepresušan izvor ideja i principa na kojima su stvoreni savršeni senzori. Zadatak tehnike i tehnologije je da je, izme u ostalog, i po pitanju realizacije senzora oponaša. Prema mjernoj veli ini senzori se dijele na: 1. Senzori pomjeranja (translacija i rotacija) potenciometri linearni/rotacioni promjenljivi diferencijalni pretvara i (LVDT/RVDT) opti ki enkoder tahometar senzori na principu Holovog efekta kapacitativni pretvara interferometar žiroskop indoksin 2. Senzori blizine grani ni prekida i opti ki senzori blizina

1

Senzori ________________________________________________________________________ senzori blizine na bazi Holovog efekta induktivni senzori kapacitativni senzori 3. Senzori ubrzanja (akcelorimetri) seizmi ki akcelerometar piezoelektri ni akcelorimetar 4. Senzori sile, momenta i pritiska mjerne trake senzori naprezanja dinamometar piezoelektri ni senzor optere enja ultrazvu ni senzori 5. Temperaturni senzori termoparovi termistori termodiode, termotranzistori otporni senzori infracrveni senzori 6. Senzori protoka pito cijev mjerna blenda venturijeva cijev rotacioni mjera protoka turbinski mjera protoka elektromagnetni mjera protoka 7. Svjetlosni senzori fotototpornici fototranzistori fotodiode CCD senzori 8. Senzori od pametnih materijala opti ka vlakna piezoelektri niž magnetostriktivni 9. Mikro i nano senzori mikro CCD senzori slike ultrazvu ni mikro senzori mikro senzori dodira Postoji razli iti nivoi realizacije senzora. Naj eš e se oni pojavljuju samo kao pretvara i signala, dok su ostali elementi, kao što je prilago avanje i poja avanje izlaza senzora , smješteni u drugom dijelu sistema kao posebne jedinice. Me utim, esto je zajedno sa

2

Senzori ________________________________________________________________________

primarna elektri na veli ina

analogni signal

A

digitalni signal

D

C

analogno poja alo

izlazna veli ina (analogna/digitalna)

ulazna veli ina

pretvara em signala u isto ku ište integrisano analogo poja alo, vidi sliku 3.1 tom slu aju takav senzor se naziva integrisani senzor. Ako je pored analognog poja ala u istom ku ištu smješten A/D konverter i mikrokontroler, onda takav senzor u skladu sa softverom u mikrokontroleru ( C ) može da komunicira sa spoljnim svijetom i da samostalno donosi neke odluke. Zbog toga se takav senzor naziva intiligentni senzor. Sa napredkom mikroelektronike, te zbog masovne proizvodnje C i njihove niske cijene, broj inteligentnih senzora stalno raste.

pretvara -senzor integrisani senzor intiligentni senzor Slika 3.1

Definicije karakteristi nih veli ina senzora Prije nego što krenemo sa predstavljanjem razli itih tipova senzora definišimo neke veli ine kao što su: mjerno podru je, rezolucija, osjetljivost, greška, ponovljivost, ta nost, mrtva zona, itd. Ove veli ine karakterišu mjerne sposobnosti i prilagodljivost senzora za pojedine primjene. Definišimo neke od njih. Mjerno podru je je razlika izme u maksimalne i minimalne ulazne vrijednosti za koje e senzor dati pravi izlaz. Ovu vrijednost deklariše proizvo . Na primjer termopar koji mjeri temperaturu od -50 0C do 750 0C ima mjerno podru je 800 0C. Rezolucija je najmanja promjena (prirast) ulazne veli ine koju senzor može registrovati. Tako inkrementalni enkoder sa 1024 impulsa po obrtaju ima rezoluciju

1 obrtaj 360 stepena 1024 impulsa 1 obrtaj

0.3516

stepen . impulsu

Osjetljivost senzora se definiše kao promjena izlaza za promjenu ulaza. Za analogni senzor osjetljivost je u uskoj vezi sa nagibom tangente na ulaznu izlaznu karakteristiku senzora. Za digitalni senzor osjetljivost zavisi od rezolucije senzora. Greška senzora se definiše kao razlika izme u izmjerene i prave vrijednosti. Postoje razli iti razlozi koji dovode do greške, kao što su: greška kalibracije, greška zbog optere enja izlaza, greška zbog osjetljivosti senzora na djelovanja drugih veli ina (npr. kod promjene optere enja pomo u mjerne trake na otpor trake uti e i temperatura a ne samo promjena otpora zbog optere enja - izduženje).

3

Senzori ________________________________________________________________________ Ponovljivost se odnosi na sposobnost senzora da da identi an izlaz za iste vrijednosti ulazne veli ine. Ta nost senzora je obrnuto srezmjerna grešci, odnosno ta nost je ve a ako je greška manja. Mrtva zona je podru je ulaza koja su bliska nuli a za koje je izlaz senzora nula. Ova josobina ini senzore nelinearnim u jednom diujelu njihove karakteristike. Ona je u uskoj vezi sa nekim drugim nelinearnim osobinama kao što je histereza.

Senzori pomjeranja Potenciometri Jedan od naj eš e korištenih senzora pomjeranja je svakako potenciometar. Javlja se u dvije osnovne izvedbe: sa rotacionim i lionearnim pomjeranjem. Pomo u njega se rotaciona ili linearna pomjeranja pretvaraju u napon ija je vrijednost srazjerna tom pomjeranju. Potenciometar se sastoji od otpornog sloja i kliza a, slika 3.2.1 a) i c). Preko fiksnog otpornog sloja klizi kliza dijele i tako ukupan otpor potenciometra na dva dijela. Ova dva dijela ine otpotno naponsko djelilo slika 3.2.1 d) desno. Neka je optpor potenciometra RAC R , napon napajanja Vc i neka se ugao zakretanja mjeri izme u ta ke C i pozicije kliza a. Ako otporni sloj ima konstantan otpor po jedinici dužine onda je otpor izme u kliza a i ta ke C jednak (otporni sloj je izra en od homogenog materijala tako da je otpor po jedinici dužine konstantan ), dok je otpor izme u kliza a i ta ke A jednak R . Napon na izlazu potenciometra, napon izme u ta aka CB je definisan kao

Vi

Vc

Vc R

R

,

odakle je o igledno da je izlazni napon srazjeran uglu zakretanja veli ine u gornje izrazu konstantne samo se ugao mijenja. otporni materijal

, jer su sve ostale

kliza R

d) otporno djelilo a) Rotacioni pot.

b) el. oznaka

c) linearni pot.

Slika 3.2.1

A sada razmotrim slu aj o kojem naro ito treba voditi ra una kod korištenja potenciometra. Radi jednostavnijeg objašnjenja pretpostavimo da potenciometar ima otpor od 10 k sa naponom napajanja od 10V. Neka se dalje kliza potenciometra

4

Senzori ________________________________________________________________________ nalazi na sredini otpornog sloja, što zna i da je otporno djelilo sa injeno od dva ista otpora od po 5 k , tako da je napon na izlazu polovina napona napajnja, dakle 5V . Ako se sada potenciometar priklju i na poja alo ija je ulazna otpornost 100 k , slika 3.2.1 d) lijevo. Donji otpor od 5 k i ulazni otpor poja ala od 100 k su paralelno vezani tako da je ukupni donji otpor Rd

Vi

10 4.76 5 4.76

5 ||100

5 100 105

4.76k . Sada je izlazni napon

4.88V . Dakle, priklju ak poja ala, koje je u ovom sliu aju

optere enje potenciometra, dovodi do greške od 0.12V. Da je ulazni otpor poja ala bio ve i, npr. 1000 k , onda bi greška bila svega 0.01V. Dakle, smanjenjem optere enja (pove anjem ulazne otpornosti poja ala) smanjuje se i greška. Ovaj slu aj možemo poopštiti za bilo koji senzor iji je izlazni otpor Rs a koji je priklju en na poja alo ulaznog otpora R p , slika 3.2.2 (oznake otpora na slici 3.2.2 su evropske a na slici 3.2.1 su ameri ke). Neka senzor generiše napon Vs ija je vrijednost mjera ulazne veli ine. U tom slu aju izlaz senzora (napon kojeg poja alo poja ava) nije napon Vs nego napon

Vi

Vs Rs

Rp

Rs

Rp . Razlika Vs Vi je Vs Vi

Rs

Rp

Vs , što je za

Vs Rs Vi Rp

Slika 3.2.2

velike vrijednosti R p i male vrijednosti Rs zanemarivo malo, odnosno tada je Vi

Vs .

Iz gornjeg razmatranja zaklju ujemo da je greška usled optere enja manja ako je izlazna otpornost senzora što manja i ulazna otpornost poja ala što ve a. Kod svakog senzora o ovom se mora voditi ra una, jer ina e može do i do velikih grešaka. Pored potenciometara sa slike 3.2.1 koriste se i ži ani potenciometri, slika 3.2.3. One se izra uju namotavanjem žice na torusno jezgro. Imaju prednost u odnosu na potenciometre sa slike 3.2.1 (slojne potenciometre) jer se otporniji na habanje i imaju duži vijek trajanja. Poternciometri sa slike 3.2.1 po pravilu imaju ugao zakretanja manji od 3600. Ako se kod ži anog potenciometra umjesto na torus žica namota na spiralu, Slika 3.2.3 onda se lako realizuju potenciometri koji imaju puno ve i ugao zakretanja, koji mogu biti i do 20 obrtaja. Ži ani potenciometri imaju stepenastu karakteristiku, pri emu je najmanja razlika izme u dvije stepenice jednaka otporu R jednog namotaja žice oko torusa. Tako e, i njihova osjetljivost i rezolucija ne može biti manja od R . Kod ovih potenciometara pojavljuje se problem usled preskakanja kliza a sa jednog namotaja na drugi, što se manifestuje kratkrotrajnim prekidima. Ovaj problem se riješava pomo u niskopropusnog filtra (kondezator od kliza a prema masi, koji se u momentu prekida prazni, što za eksterne ure aje izgleda kao da prekid ne postoji). Dobre osobine poternciometra su: jednostavna konstrukcija, niska cijena, široko mjerno podru je, otporni su na smetnje i relativno dobre temperaturne osobine, dok su nedostaci: habanje, promjena otpora usled varijacije pritska kliza a i osjetljivost na prljavštine. Izvor ve ine loših osobina potenciometra je postojanje kontaktne površine

5

Senzori ________________________________________________________________________ izme u kliza a i otpornog sloja. Ipak, uzimaju i u obzir i dobre i loše osobine, potenciometri se i danas primjenjuju u mnogim mehatroni kim sistemima.

Linearni promjenljivi diferencijalni transformator (LVDT) LVDT (skra enica od engleskog naziva: linear variable differential transformer) je senzor visoke rezolucije kod kojeg je amplituda izlaznog AC napona srazmjerna linearnom pomjeranju. Za razliku od potenciometra, ovaj senzor nema kontaktnu površinu, tako da i pored malog mjernog podru ja (oko 5cm) ima široku primjenu u mnogim sistemima, naro ito tamo gdje je u pitanju registracija malih pomjeranja, koja su ve a od mikro podru ja.

primarni

sekundar 1

sekundar 2

a) LVDT sa trnom u sredini

b) trn lijevo

c) trn u centru

d) trn desno

Slika 3.2.4

Sastoji se od trna - kliza a koji je vrsto spregnut sa dijelom sistema ije je pomjeranje potrebno registovati. Oka trna (koji je izra en od feromagnetnog materijala) su postavljena tri namotaja, jedan primarni koji je postavljen na sredinu trna i dva sekundarna namotaja na krajevima, slika 3.2.4. Sekundarni namotaji imaju suprotan smjer namotavanja. Kroz primarni namotaj proti e naizmjeni na struja frekvencije do 10kH , ije magnetno polje se prenosi preko trna i u sekundarnim namotajima izaziva indukovanu struje koje, zbog razli itog smjera namotavanja, imaju suprotne faze. Amplituda napona indukovane struje zavisi od ja ine polja u sekundarnim namotajima,

6

Senzori ________________________________________________________________________ što opet zavisi od pomjeranja trna. Ako je trn u centru, onda su naponi V1 i V2 indukovani u sekundarima iste amplitude i suprotne faze, tako da je njihov zbir nula Vnet 0 , vidi sliku 3.2.4 c). Razmotrimo šta se dešava ako se trn pomjei lijevo ili desno. Ako se trn pomjeri lijevo, tada je napon indukovan u sekundaru 1 po amplitudi ve i od napona indukovanog u sekundaru 2, što uslovljava da je njihov zbir razli it od nule i ima fazu kao sekundar 1, slika 3.2.4 b). Sli no, ako se trn pomjeri desno od centra, onda je napon V2 po amplitudi ve i od V1 , što ini da njihov zbir nije nula, i da ima fazu kao napon V2 , slika 3.2.4 d). Dakle, od veli ine pomjeranja trna zavisi amplituda rezultujeeg napona a od njegove faze zavisi smjer kretanja trna. Za mjerenje rotacionog pomjeranja koristi se RVDT (rotary variable differential transformer). On je funkcionalno identi an LVDT senzoru, s tim da trn rotira od 00 do 1800. Oblik rezultuje eg napona Vnet koji je mjera pomjeranje, u obliku koji se dobija sa LVDT/RVDT nije podesan za korištenje u ostalim dijelovima mehatroni kog sistema. To se prevazilazi pretvaranjem izlanog napona LVDT/RVDT senzora u DC napon ija je vrijednost srazmjerna amplitudi a predznak fazi napona Vnet . Za to se koriste posebno razvijena integrisana kola. Jedno od njih je AD698 proizvo a Analog Devices ija je

Slika 3.2.5

blok šema data na slici 3.2.5. Ovo kolo sadrži oscilator napona primarnog namotaja, fayno osjetljivog ispravlja a (koji ispravlja napon Vnet ), filtra i poja ala. Na izlazu poja ala je DC ija vrijednost je srazmjerna pomjeranju a znak smjeru pomjeranja.

Opti ki enkoder U opštem slu aju opti ke enkodere bi mogli definisati kao ure aje koji konvertuju kretanje u povorku digitalnih impulsa. Pojedina nim brojanjem bitova ili dekodiranjem skupa bita, impulsi mogu biti konvertovani u relativnu ili absolutnu mjeru pozicije. Enkoderi se izra uju kao linearni ili rotacioni. Rotacioni enkoderi se eš e primjenjuju tako da emo u nastavku posmatrati samo njih, sa napomenom da sve što vrijedi za rotacione vrijedi i za linearne enkodere. Rotacioni enkoderi se proizvode u dva osnovna oblika: absolutni enkoder, gdje jedinstvena digitalna rije odgovara svakoj poziciji u kojoj se enkoder može na i, i inkrementalne enkodere, koji prilikom rotacije proizvode impulse ijim brojanjem je omogu eno relativno mjerenje pozicije. Rotacioni enkoder

7

Senzori ________________________________________________________________________ imaju dva osnovna dijela: rotacioni disk – kodni disk i jedan ili više svjetlosnih senzora sa injenih od para fotodiodafototranzistor (FDT par). Rotacioni disk je izra en od providnog materijala (plastika ili staklo) pri emu su fotopostupkom nanešeni radijalni tamni zarezi orga-nizovani kao trake, slika 3.2.6. Za svaku traku postoji poseban FDT par, pri emu, prilikom rotacije, tamni zarezi prekidaju a nezatamljeni propuštaju snop svijetlosti izme u diode i tranzistora, što dalje izaziva generisanje povorke impulsa na fototranzistoru.

disk

trake

osovina

foto diode

fototranzistor

Slika 3.2.6

Absolutni enkoder Rotacioni disk kod absolutnog enkodera je napravljen tako da za N razli itih pozicije (uglova) osovine proizvodi jedinstvenu digitalnu rije . Na primjer, ako rotacioni disk ima 8 koncentri nih traka, onda on može proizvesti 256 odvojenih pozicija (digitalnih brojeva) ili sa rezolucijom po uglu od 1.4060 , jer je 3600/256=1.4060. Pri tome na in kodiranja pozicija može biti razli it. U praksi se eš e izra uju absolutni enkoderi sa Grejovim kodom negi sa prirodnim binarnim kodom. Razloge emo objasniti u nastavku a za slu aj absolutnog enkodera sa 16 pozicija (4 trake), vidi sliku 3.2.7. diska rotira, FDT parovi su stacionarni

b) promjena izme u pozicije 7 i pozicje 8 sa binarno kodiranim diskom

a) binarni

c) Grejov kod

Slika 3.2.7

Ako se kod absolutnog enkodera koristi binarni kod (slika 3.2.7 a)), onda kod ve ine promjena pozicija dolazi do promjene više bitova istovremeno, što je za promjenu izme u pozicije 7 i 8 prikazano na slici 3.2.7 b). Ako bi FDT parovi bili postavljeni idealno (na istoj radijalnoj liniji) i ako bi kodna plo a bila idealno izra ena onda to ne bi izazivalo nikakve probleme. Me utim, u praksi je to nemogu e, tako da zbog grešaka kod izrade ili pak vibracija prilikom rada može se desiti da se FDT parovi nisu na radijalnoj liniji tako da e se pri prelasku, na primjer, sa pozicije 7 na poziciju 8, bit B3 (slika 3.2.7 b)) promjenuti prije ostalih. To e generisati da je vrijednost izlaza binarno 1111, što predstavlja poziciju 15 a ne 8 kako je u stvarnosti. Isto se dešava ako se i neki drugi bit promjeni prije ostralih (npr. ako se bit B0 promjeni prije, to generiše rije 0110

8

Senzori ________________________________________________________________________ što je opet broj 6, itd). Ako se umjesto binarno kodirane rotacione plo e koristi rotaciona plo a kodirana Grejovim kodom to se ne može desiti, jer je osobina Grejovog koda da je broj promjena bita izme u dvije susjedne rije i uvijek jedan, vidi sliku 3.2.7 c). Po tom kodu, brojevi 7 i 8 decimalno su redom brojevi 0100 i 1100 binarno. Izme u njih se mijenja samo bit B3, dok ostali imaju iste vrijednosti. Ako se mijenja samo jedan bit onda se ne može govoriti o slu aju da se neki bit mijenja prije ili kasnije. Prilikom korištenja absolutnog enkodera sa Grejovim kodom, u ra unarskom dijelu mehatroni kog sistema, potrebno je Grejov kod pretvoriti u prirodni binarni kod. Za to postoje vrlo jednostavni algoritmi. Inkrementalni enkoder Inkrementalni enkoder, poznat još i kao relativni enkoder, je jedniostavniji za od absolutnog enkodera. Izra uje se od jedna trake sa dva FDT para ili dvije trake sa po jednim FDT parom. U bilo kojoj od dvije prethodne izvedbe bitno je naglasiti da su signali sa senzora (FDT par) me usobno pomaknuti (zakrenuti) za ¼ periode (tj. za 900 ako je perioda 3600), slika 3.2.8 a). u ovom slu aju 3600 ozna ava 1 ciklus, od po etka jednog zareza do po etka slede eg

disk

pomo u dva FDT para odre ujemo smjer rotacije smjer rotacije

oblik izlaza na kanalim za CCW smjer vode i vode i oblik izlaza na kanalima za CW smjer

Slika 3.2.8

Svaki od FDT parova prilikom rotacije diska generiše povorku pravougaonih impulsa, V1 i V2 na slici 3.2.8, koie nazivamo kanalima. Broj zareza u jednoj traci odre uje rezoluciju enkodera dok se preko redoslijeda opadanja nivoa signala na kanalu odre uje smjer rotacije diska. Tako, ako impuls prvo opada na kanalu V2 a zatim na kanalu V1, onda je smjer rotacije suprotan kazaljci na satu (CCW-smjer, counterclock wise), slika 3.2.8b). U slu aju da prvo pada nivo na kanalu V1, a zatim na kanalu V2, onda je rotacija diska u

9

Senzori ________________________________________________________________________ smjeru kazaljke na satu (CW-smjer, clock wise). Za prepoznavanje smjera koristi se posebna logika, koja se može realizovati ili hardverski ili softverski. Jedan od na ina hardverske realizacije pomo u D flip-flopa dat je na slici 3.2.9. esto se na istom disku postavlja još jedan senzor (FDT par) koji se nalazi na traci sa samo jednim zarezom, tako da se za jedan obrtaj diska generiše samo jedan impuls. broja nazad Ovaj kanal služi za registraciju broja obrtaja (do broja obrtaja se može i bez ovog kanala broja brojanjem impulsa sa nekog od naprijed kanala V1 ili V2). Tako e ovaj kanal je koristan i za odre ivanja Slika 3.2.9 po etne pozicije – nulte pozicije. Inkrementalni enkoderi se izra uju sa vrlo velikim rezolucijama, i do 1024 impulsa po traci. Kombinacijom više traka koje su me usobno pomaknute broj impulsa po obrtaju se može višestruko pove ati, te time i rezolucija. Na slici 3.2.10. data je fotografija jednog takvog rotacionog inkrementalnog enkodera sa rezolucijom do 0.0450 iji je pre nik svega 12mm. Za razliku od absolutnih enkodera, kod inkrementalnog enkodera je nužan broja , jer se stvarna pozicija odre uje brojanjem impulsa od nulte pozicije, pri emu se mora uzeti u obzir smjer brojanja. Brojanje se može realizovati ili softverski ili hardverski. Danas svaki PLC ima takozvani broja ki ulaz gdje se priklju uje Slika 3.2.10 inkerementalni enkoder. Magnetostriktivni senzor pomjeranja Mjerenje pomjeranja magnetostriktivnom metodom je metoda novijeg datuma. Ima veliki mjerni opseg ( i do nekoliko metara , tipi no 2m ), veliku ta nost i rezoluciju. To je beskontaktna metoda tako da se esto koristi za mjerenje visine te nosti. Za mjerenje se koristi magnetostriktivni efekat, tj. da neki materijali u prisustvu magnetnog polja se deformišu. Na slici 3.2.11 je prikazana sonda za mjerenje visine te nosti pomo u ove metode. Sonda se sastoji od magnetostriktivne žice (1), elektronike (2) sa ultrazvu nim prijemnikom. Žica je smještena u metalnu šipku na koju je navu en prstenasti plovak koji pluta na te nosti iji se nivo mjeri I na kojem se nalazi stalni Slika 3.2.11 magnet (4) u obliku prstena. Kada se kroz žicu (1) u jednom trenutku pošalje kratak strujni impuls on stvara magnetno polje (3) koje putuje

10

Senzori ________________________________________________________________________ zajedno sa impulsom. Dolazi do interakcije tog polja i polja stalnog magneta, što za posledicu ima torzionu deformaciju žice (5) na mjestu na kojem je magnet. Ova deformacija proitvodi ultrazvu ni talas koji putuje kroz cijev do ultrazvu nog prijemnika. Mjerenjem vremena koje je proteklo izmežu generisanja strujnog impulsa I trenutka kada je primljen ultrazvu ni talas i znaju i brzinu prostiranja ultrazvuka kroz poznatu sredinu (metalna cijev) ra una se pozicija na žici gdje je došlo do torzione deformacije, odnosno utvr uje se visina te nosti. Ovaj postupak u ponovi nekoliko desetina hiljada puta i na e srednja vrijednost.

Senzori za mjerenje ugaone brzine Ugaona brzina se uglavnom ra una kao odnos promjene ugla u jedinici vremena. U tom slu aju se pomo u ve opisanih senzora rotacionog pomjeranja mjeri promjena ugla za neko unaprijed odre eno vrijeme. Na primjer, ako je u trenutku t1 1 sec. ugao 1

/18 rad a u trenutku t2

3 sec.

izmjeren je ugao ugaona 2

t reflektor

fotodetektor

izvor svjetla

Slika 3.2.12

t2

2

/ 6 rad , onda je brzina

1

t1

/6 /18 3 2

rad 18 sec

. Pored ovog na ina za mjerenja ugone brzine koriste se tahometri. Na slici 3.2.12 dat je opti ki tahometar. Na osovini je na neki na in postavljen materijal koji reflektuje infracrvenu svjetlost. Na tu površinu je usmjeren snop infracrvene svjetlosti koji se pri nailasku te oznake reflektuje do prijemnog dijela. Na taj na in se broji broj primljenih impulsa u jedinici vremena, npr. za 1min. Tada taj broj predstavlja broj

obrtaja osovine u minuti.

induktivni senzor

rotor

Za mjerenje broja obrtaja radilece u automobilskom motoru koristi se tahometar od nazubljenog rotora ( toothed rotor tachometar ), slika 3.2.13. U suštini on je jako sli an opti kom enkoderu s tim da se kao senzor koristi induktivni dava . Pri nailasku zuba rotora neposredno ispod senzora u senzoru se mijenja magnetno polje, što se manifestuje pove anjem indukovane struje u namotaju. To se dalje registruje kao impuls.

Za mjerenje ugaone brzine, naro ito u elektromotornim jednosmjernim pogonima, koriste se DC tahometri. Kod njih Slika 3.2.13 je indukovani napon srazmjeran broju obrtaja. Obi no je to 3V za 1000 obrtaja/min. To zna i da ako motor ima broj obrtaja od 0 do 6000 obrtaja/min, onda e tahohenerator dati izlay od 0 do 18V. Ovi tahometri se koriste kao mjerni lanovi u povratnim vezama analognih brzinskih regulatora pomenutih jednosmjernih elektromotornih pogona.

11

Senzori ________________________________________________________________________

3.3. Senzori blizine U mnogim mehatroni kim sistemima potrebno je registrovati samo da su pojedina kretanja ostvarena, bez mjerenja vrijednosti pomjeranja. U tom slu aju možemo koristiti senzore blizine, jer su oni jednostavniji i jeftiniji od senzora pomjeranja. Od senzora blizine u nastavku emo opisati grani ni prekida i senzore blizine na bazi Holovog (Hall) efekta. Grani ni prekida Grani ni prekida i se koriste za detekciju krajnjeg položaja nekog naizmjeni nog kretanja. Na primjer, kod kretanja pneumatskog ili hidrauli nog cilindra. Postoji više na ina aktiviranja prekida a u krajnjoj poziciji. Danas se mnogo koriste tkzv. rid prekida i, koji se aktiviraju prisustvom magnetnog polja u njihovoj blizini. Ako su grani ni prekida i uklju eni u neki digitalni upravlja ki sistem, onda treba voditi ra una da se u momentu spajanja ili odvajanja kontakata generiše povorka impulsa (zbog elasti nosti pera koji nose kontakte), poznato kao “istitravanje kontakata”. Ova može dati pogrešnu informaciju, jer izglada kao da se prekida otvara i zatvara. Postoji više hardverskih i softverskih tehnika kojima se ovaj efekat eleminiše. Senzor na bazi Holovog efekta Holov efekat je otkriven 1879. od strane E.H. Hall. On je primjetio da se u nekim vrstama bakra indukuje struja kad im se primakne magnet. Danas se ovi senzori proizvode od poluprovodni kih materijala, slika 3.3.1. Na slici je sa VH ozna en indukovani Holov napon, a sa I je ozna ena struja u ravni koja je okomita na ravan u kojoj se indukuje VH . Zbog robustnosti i temperaturne otpornosti ovi senzori se dosta koriste u avtomobilskoj industriji za mjerenje pozicije koljenastog vratila i bregaste osovine.

Slika 3.3.1

3.4 Senzori ubrzanja Ovi senzori se još nazivaju akcelerometri i služe za mjerenje ubrzanja. Koriste se za mjerenje vibracija, u avio industriji i u automobilskoj industriji za registraciju nagle promjene brzine (ko ioni sistem, kontrola dinami ke stabilnosti vozila, aktiviranje vazdušnih jastuka u slu aju sudara, itd). Kod njihove izrade koristi se reazli iti fizikalni principi tako da postoje: kapacitativni, induktivni, piezoelektri ni, otporni (pomu u mjernih traka), itd. Na slici 3.4.1 prikazan je piezoelektri ni akcelerometar. On se sastoji od dvije PZT plo e i tijela mase m izme u tih plo a. U slu aju promjene brzine, masa zbog inercije nastoji na nastavi kretanje istom brzinom kao u prethodnom trenutku. Zbog toga, a zavisno od znaka Slika 3.4.1

12

Senzori ________________________________________________________________________ promjene brzine (ubrzanje ili usporenje), masa e pritiskivati jedan od PZT kristala, koji e generisati napon koji je srazmjeran sili pritiskanja. Kako je opet sila srazmjerna ubrzanju ( F ma ) a masa je konstantna, što zna i da je generisani napon srazmjeran ubrzanju.

3.5 Senzori sile, momenta i pritiska Najjednostavnije mjerenje sile je pomo u opruge. Metod se bazira na injenici da je u nekom podru ju istezanje opruge srazmjerno sili koja na nju djeluje. Na taj na in mjerenjem istezanja, tj. pomjeranja, pomo u ve opisanih senzora pomjeranja, može mjeriti sila. Ovaj na in mjerenja je najrasprostranjniji i sa njim se svakodnevno sre emo. U nastavku emo opisati i neke druge metode mjerenja sile. Za mjerenje sile koristi se Hukov zakon po kojem je sila F , konstanta i zavisi od vrste materijala a x je F x , gdje je izduženje ili skra enje koje je posledica dejstva sile. Prema tome mjerenje sile se svodi na mjerenje dužine x , jer je konstanta. Slika 3.5.1 Ovo pomjeranje je vrlo malo i za njega se ne mogu koristiti ranije izloženi senzori pomjeranja. Za mjerenje ovog pomjeranja koriste se mjerne trake. Ove trake su ustvari otpornici napravljeni od žice velike dužine i malog presjeka. Njihov otpor u neoptere enom stanju je oko 120 . Izra uju se specijalnim postupkom štampe na papirnoj traci, vidi sliku 3.5.1. Trake se nalijepe na površinu iju deformaciju mjerimo. Da bi se izbjegla zavisnost otpora trake od temeperature, na isti predmet se postavlja identi na traka koja aktivna traka služi kao kompenzaciona traka. Ona je postavljena tasila sila izlaz ko da se prilikom deformacije materijala promjena njenog otpora u pore enju sa promkompenzaciona traka jenom otpora aktivne trake može a) postavljanje traka b) interfejs sa mostom zanemariti (aktivna Slika 3.5.2 traka se deformiše po dužini tako da je ukupna promjena dužine žice mjerne trake umnožak te deformacije i broja uzdužnih dijelova, dok se kompenzaciona traka deformiše po širini što je znatno manje, vidi 3.4.1). Obe mjerne trake su spojene u Vinstonov most koji je u neoptere enom stanju uravnotežen otporima R1 i R2 , dok su otpori aktivne I kompenzacione mjerne trake ozna eni RG i RD redom. Naponi V1 i V2 na dijagonali mosta su: V1

Vs RG i V2 R1 RG

Vs RD , dok je njihova razlika (koja se poja ava) data R2 R D

kao

13

Senzori ________________________________________________________________________ V

V1 V 2

Vs

RG R1 RG

RD . R2 R D

Ako se otpori R1 i R2 odaberu tako da su jednaki otporu R neoptere ene trake, tj.

R1

R2

RD

R i neka je kod optere enja RG

R

R , onda je

V

Vs

R . 4R 2 R

Vrijednost 2 R u nazivniku gornje jedna ine se može zanemariti u odnosu na vrijednost 4R , tako da se dobija

V

Vs

R 4R

R R

4 V . Vs

V se poja ava poja alom poja anja A , tako da je izlazni nalon R je V A V , kojeg je lako mjeriti. S druge strane, relativna promjena otpora R l x srazmjerna relativnoj promjeni dužine otporne žice u mjernoj traci , odnosno l l R x R 4lV x l . Iz promjene dužine x i znaju i konstantu materijala R l R AVs Promjena napona

ra unamo silu

F Kod ovih senzora proizvo

4lV . AVs

daje katakteristiku GF (mjerni faktor) iz kojeg se ra una

R elongacija GF , na osnovu koje i Jungovog modula elesti nosti E ra una sila po R jedinici površine kao, E , odakle se dalje ra una sila kao F A , A površina. Za mjerenje sile koriste se i kapacitativni i piezoelektri ni senzori. Kod kapacitativnih, radni element senzora su dvije plo e površine S na rastojanju h izme u kojih je izolator relativne dijalektri ne konstante r i dijalektri ke konstane vakuma o . Ove plo e ine kondezator iji je kapacitet C

o r

S . Usled dejstva sile mijenja se rastojanje h , što h

opet izaziva promjenu kapaciteta. Promjene kapaciteta se lako pretvaraju u promjenu frekvencije, što se dalje može lako detektovati i mjeriti. Ovi senzori su vrlo osjetljivi, a izra uju se za razli ita mjerna podru ja, od najmanjih do najve ih. Rad piezoelektri nih senzora sile bazira se na fenomenu da se u neki materijali naelektrišu ako na njih djeluje sila. Vrijednosti ovog naelektrisanja su srazmjerna sile. Dakle, mjerenjem napona (što je vrlo jednostavno) mjeri se sila. profil visokog pritiska

profil bez pritiska

pritisak

Slika 3.5.3

Senzori momenta i pritiska Mjerenje obrtnog momenta i pritisaka se uglavnom svodi na prethodno mjerenje sile, odakle se moment i pritisak dalje ra unaju. Pored toga, za mjerenje pritiska postoje i neki drugi senzori pri emu se pritisak mjeri mjerenjem pomjeranja. Tipi an predstavnik te grupe senzora je Burdonova cijev, slika 3.5.3. Dejstvom pritiska, cijev sa slike 3.5.3 se ispravlja (jer

14

Senzori ________________________________________________________________________ su površine unutar cijevi na koje djeluje pritisak razli ite, pa otuda se javlja sila koj ispravlja cijev ), što izaziva pomjeranje zatvorenog kraja cijevi. Ako je ispravljanje srazmjerno pritisku u cijevi, tada mjerenjem pomjeranja ustvari mjerimo pritisak. Ovi senzori su jako jednostavni za konstrukciju i jeftini su. esto se pomjeranje zatvorenog kraja cijevi pretvara u rotaciono kretanje, koje preko kazaljke i skale, daje informaciju o pritisku.

3.6 Temperaturni senzori Kod ve ine mehatroni kih sistema potrebno je mjeriti temperaturu, ako ni zbog ega drugog, onda radi temperaturne kompenzacije kod mjerenja drugih veli ina. Temperaturni senzori daju izlaz koji je proporcionalan temperaturi. Kod nekih materijala pri porastu temperature raste i izlaz (što je poželjna osobina), a kod nekih opet kod porasta temperature opada izlaz. U prvom slu aju kažemo da ti materijali imaju pozitivan temperaturni koeficijent a u drugom slu aju da imaju negativan temperaturni koeficijent. Svakako najrasprostranjeniji temperaturni senzor je bimetalni temperaturni senzor, ili kra e „bimetal“. Rad ovog senzora se zasniva na osobini da se materijali razli ito šire na istoj temperaturi, odnosno materijali imaju razli ite temperaturne koeficijente. Ako se dva takva materijala vrsto spoje tako da ine elesti no pero, onda se to pero kod porasta temperature savija na stranu materijala sa manjim temperaturnim koeficijentom. Ovo savijanje proizvodi silu koja dalje može da aktivira neki prekida , koji dalje aktivira aktuator. Na stranu gdje se materijal savija može se postaviti opruga, pri emu se podešavanjem prednapona opruge postiže da se aktiviranje prekida a doga a pri razli itim temperaturama. Ovakvi bimetali se danas uglavnom koriste u aparatima za doma instvo (štednjaci, pegle, itd). Pored širenja metala, za izradu ovih regulatora se koriste regulatori u kojima se kao senzor koristi živa ili alkohol. Oni su zatvoreni u cijev, koja se kod pove anja temperature širi, tj. izdužuje i savija. Specjalnim konstrukcijama postiže se da ovo savijanje aktivira prekida pri odre enim i unaprijed zadatim temperaturama. Ovi senzori se uglavnom koriste kod dvopoložajnih regulatora (on/off) i za manje temperature. Oni se ne mogu koristiti u proporcionalnoj tehnici i za mjerenje ve ih temperatura. Za proporcionalnu tehniku koristimo druge senzore kao što su: termopar i otporni temperaturni detektor, RTD senzor. Termopar Termopar je razvijen prije 100 godina. Koristi se osobina da spoj dva razli ita materijala (željezo – konstantan, platina - rodijum) pri zagrijavanju generiše napon koji je srazmjeran temperaturi. Od žica ovih materila se prave dva spoja, topli i hladni. Topli spoj je na mjestu gdje se mjeri temperatura a hladni je na sobnoj ili nekoj drugoj poznatoj temperaturi, vidi sliku 3.6.1. Spoj žeeljezo – konstantan generiše naponsku ra-

konstantan topli spoj

V hot

+ _

Vnet željezo

bakar

+ _

hladni spoj

Vcold

topli spoj

Vhot

konstantan

+ _

hladni spoj

željezo

Vcold

15

Vnet

Senzori ________________________________________________________________________

zliku od 35 V / 0 F (mikrovolti po stepenu farenhajta). To se doga a na oba kraja žica od ovih materijala. Spojem kao na slici 3.6.1 a) i b) ukupan napon Vnet se dobija kao razlika napona na toplom

Vhot a)Vnet

Vhot i hladnom Vcold kraju, tj. Vnet

Vhot

Vcold , odnosno

Vcold . Dakle, da bi izmjerili temperaturu toplog b)kraja treba odrediti napon Slika 3.6.1 Vhot , a da bi njega odredili treba znati i napon Vnet i napon Vcold . Napon Vnet

poja avamo i mjerimo, dok je napon Vcold potrebno odrediti na neki drugi na in. Jedan od na ina je da hladni kraj postavimo na poznatu temperaturu, npr. mješavina vode i leda topli spoj ( 00 C ), jer za poznate Slika 3.6.2 temperature napon Vcold poznat. Ovo esto može biti nezgodno za realizaciju, tako da se koriste drugi na ini. Jedan ot tih je temperaturna kompenzacija pomo u, što je prikazano na slici 3.6.2. Ovdje se kompenzacija vrši promjenom pada napona PN spoja diode koja je mehani ki pri vrš ena na hladni kraj senzora (tamo gdje se bakar spaja se senzorom, vidi sliku 3.6.1), tako da im je temperatura ista. Termoparovi služe za mjerenje visokih temperatura. Sonda sa termoparom željezokonstantan se koristi do 20000C, dok se sonda platina-rodijum koristi i do 30000C. Dioda kompenzira temperaturu okoline

RTD senzor Rad ovih senzora se bazira na injenici da kod mnogih materijala sa porastom temperature raste i otpor. Tako npr. žici od platine otpora 1 , za svako pove anje temperature od 10C otpor se pove a za 0.0039 . Ako je ta žica otpora 100 , onda e se njen otpor pove avati za 0.39 / 0 C . To zna i da e dobro poznata tempereturna sonda PT100 koja je ura ena od platine (vidi sliku 3.6.3) i iji otpor za 00C je 100 , na namotaji žice od platine temperaturi od 1000C imati otpor 139 . Razli itim povezivanjem (npr. Vinstonov most) postiže se da se ove otporne Slika 3.6.3 promjene pretvaraju u naponske, koje se lakše mjere i koriste u ostalim djelovima mehatroni kog sistema.

Integrisani temperaturni senzori

16

Senzori ________________________________________________________________________ Ve smo rekli da je temperatura veli ina koja se esto potrebno mjeriti. Zbog toga je razvijeno više integrisanih senzora. Jedan od njih je LM 35, koji služi za mjerenje temperature od -55 0C do 150 0C i koji daje izlaz od 10mV/0C. Ta zna i da je njegov izlaz na temperaturi od 250C jednak 0.250 V. Isto tako, IC oznake AD 7414 je digitalni temperaturni senzor sa 10-bitnim A/D konverterom i serijskim interfejsom. Ima mogu nost programiranja dva temperaturna limita, donjeg i gornjeg, o ijem dostizanju preko jednog pina obavještava spoljni svijet.

3.7 Senzori protoka Protok je veli ina koja se esto mjeri. Mjerenje protoka se bazira na više principa, pri emu emo se u nastavku upoznati sa nekim od njih: mjerenje pritiska, turbinski mjera i protoka, mjerenje protoka preko temperature i ultrazvu ni mjera i protoka. Mjerenje protoka bazirano na mjerenju pritiska Jedan od njih je mjerna blenda. U cijev kroz koju te e fluid iji se protok mjeri unosi se prsten kod kojeg je spoljni pre nik isti kao unutrašnji pre nik cijevi a unutrašnji krug ima površinu A koja je manja od unutrašnje površine cijevi, slika 3.7.1. Mjerenjem pritiska prije p2 i poslije p1 prstena (mjerne blende) protok

Q

CA

2g

p2

Q

se

p1 ,

ra una gdje

su:

kao C-

koeficijent koji zavisi od blende i fluida, g - gravitaciono ubrzanje i gustina fluida. Tako e, kod Venturijeve cijevi (slika 3.7.2 a)) i Pito cijevi (slika 3..2 b)) se koriste sli ni principi Slika 3.7.1

nizak pritisak

dinami ki pritisak

stati ki pritisak

Slika 3.7.2

Turbinski mjera i protoka Kod ovih senzora postoji turbina kod koje se je broj obrtaja srazmjeran brzini fluida. Broj obrtaja se mjeri brojanjem Holov senzor impulsa koji se generišu prolaskom magneta na turbini pokraj nepokretnog Holovog senzora. Na taj na in mjerimo brzinu fuida

17 Slika 3.7.3

Senzori ________________________________________________________________________ kroz cijev, odakle znaju i još popre ni presjek ra inamo protok. Postoje tako e i maseni mjera i protoka, kod kojih turbina napravi jedan obrtaj ako je mrotok fluida mase m . Za protok mase 2m turbina napravi 2 obrtaja, 3m turbina napravi 3 obrtaja itd., tako da mjerenjem broja obrtaja mjerimo i protok. Mjerenje protoka preko temperature Ovaj princip mjerenja se koristi kod automobila za mjerenje protoka vazduha u usisnoj grani, slika 3.7.4. Senzor ima dvije žice od kojih se jedna zagrijava na poznatu temperaturu Tz koja je puno ve a od okolne temperature vazduha Tov . Druga žica u senzoru se ne zagrijava. Njena temperatura je na temperaturi okoline i služi za kompenzaciju. Prolaskom vazduha kroz senzor zagrijana žica se hladi. Ve i protok izaziva ve e hla enje. Elektri ni otpor ovih žica u nominalnom stanju je R i Rc . Prilikom hla enja otpor zagrijane žice se mijenja, tako da se sada mjerenje protoka svodi na mjerenje elektri nog otpora, odnosno napona jedne dijagonale Vinstonovog mosta. Iz tog Slika 3.7.4

napona se ra una protok. Ultrazvu ni mjera protoka Ultrazvu ni mjera i protoka nemaju potrošnih elemenata, tako da im je životni vijek neograni en. Ovi mjera i protoka se komercijalno prvi put pojavljuju prije 40 godina. Po principu rada sijele se na: na principu Doplerovog efekta i mjerenjem vremena prolaza. U nastavku emo ukratko opisati oba ova mjera a protoka. Rad ovog mjera a se bazira na Doplerovom frekventnom pomaku, tj. promjeni frekvencije nekog talasa za posmatra a ako se on relativno kre e u odnosu na izvor talasa. U ovom slu aju ultrazvu ni izvor talasa emituje talas frekvencije 1MHz, i usmjerava ga na fluid iji se protok ispituje pod nekim uglom. Jedan dio ultrazvu ne energije se reflektuje od akusti nih diskontinuiteta kao što su: mjehuri i, uklju ci, vrtlozi, itd. Razlika u frekvenciji izme u odaslane i primljene frekvencije je srazmjerna brzini kretanja fluida. Kad je brzina utvr ena onda se na osnovu nje dalje ra una protok. promljenih. Ilustracija mjera a protoka sa mjerenjem vremena prolaza je data na slici 3.7.5. Postoje dva ultrazvu na pretvara a, predajni i prijemni koji su montirani na suprotnim stranama cijevi kroz koju se mjeri protok. Predajni ultrazvu ni izvor šalje zvuk koji se prolazi kroz medij i dolazi u prijemni dio. Vrijeme prostiranja talasa kroz fluid je

T

Slika 3.7.5

18

2lv cos , gdje je v -brzina c2

Senzori ________________________________________________________________________ fluida a c - brzina ultrazvuka kroz fluid (koja je poznata i konstantna). Mjerenjem vremena T iz gornje jedna ine se ra una brzina fluida v , ije poznavanje uz poznavanje geometrije cijevi omogu ava ra unanje protoka. 3.8 Mikrosenzori Mikrosenzori (poznati još i kao MEMS senzori) su minijaturne verzije klasi nih senzora. Time se smanjuje cijena i poboljšavaju performanse. Na slici 3.8.1 je dat jedan takav senzor za mjerenje protoka. Pri tome se protok ra una preko razlika pritisaka p p2 p1 , što se opet mjeri na osnovu promjena kapaciteta kondenzatora, vidi sliku 3.8.1. Slika 3.8.1 Na sli an na in se proizvode senzori ostalih fizikalnih veli ina: sila, temperatura, pritisak, ubrzanje, itd. Pri tome se kao pretvara i signala najviše koriste kapacitativni ili piezo pretvara i, jer je njih najlakše integrisati.

19