13.1 Snímače polohy, rýchlosti a zrýchlenia
Snímače kinematických veličín, poskytujú informáciu o fyzikálnych veličinách riadeného procesu odvodených od mechanického pohybu. Rozdeľujeme ich podľa týchto kritérií:
- druh meranej veličiny – snímače polohy, rýchlosti, zrýchlenia, kmitavého pohybu
- princíp činnosti – snímače mechanické, odporové, kapacitné, indukčné, magnetické, optické, ultrazvukové, pneumatické
- priebeh výstupného signálu – snímače spojité, nespojité
- spôsob merania – snímače absolútne, prírastkové, kombinované
Základom odporových spojitých snímačov polohy sú odporové potenciometre, ktorých bežec posúvajúci sa po odporovej dráhe je mechanicky spojený s predmetom, ktorého polohu meriame. Dráha je realizovaná na nosnej izolovanej podložke, na ktorej je navinutý smaltovaný drôt, po ktorom sa pohybuje kontakt, alebo nekovový odporový element tvorený najčastejšie vodivým plastom CP (conductive Plastic – vodivé plnidlo zalisované v termoplaste). Ich prednosťou je vysoká rozlišovacia schopnosť a veľká životnosť. Drôtové potenciometre vykazujú väčšiu robustnosť a elektrickú zaťažiteľnosť. výhody oboch spája hybridná technológia, ktorá je použitá pri niektorých druhoch viacotáčkových potenciometroch. Jazdec sa vyrába zo špeciálnych zliatin (PtIr, AgPd).
Vyhodnocovacie obvody odporových snímačov polohy
Odporový snímač polohy pracuje ako napäťový delič s deliacim pomerom určeným meranou polohou. Vyhodnocovacie obvody preto stanovujú zmenu napätia (prúdu) obvodu odporového snímača štandardnými vychyľovacími alebo nulovými metódami používanými pri meraní odporov.
Metóda využíva prevod meranej veličiny na zmenu parametra určujúceho kapacitu kondenzátora. Tá je daná geometriou elektród a permitivitou priestoru, v ktorom sa uzatvára elektrické pole.
V prípade rovinného doskového kondenzátora platí pre kapacitu vzťah:
z ktorého vyplýva, že pre vyhodnocovanie zmeny kapacity C kondenzátora je možné využiť zmenu vzdialenosti elektród d, zmenu účinnej plochy prekrytia elektród S alebo zmenu pomernej permitivity dielektrika εr, permitivita vákua je označená εo.
Indukčné snímače polohy
Činnosť indukčných snímačov je založená na využití Faradayovho zákona pre indukované napätie:
Polohu je možné stanoviť na základe rýchlosti časovej zmeny magnetického tok dΦdt spojeného s N závitmi pevnej cievky, alebo sa pohybom vodičov mení počet závitov N, ktoré sú v danom časovom okamžiku viazané so stálym magnetickým polom Φ.
Elektromagnetické snímače vyhodnocujú zmenu magnetického toku pomocou zmeny impedancie magnetického obvodu. Na jadre permanentného magnetu ja nasadená cievka s N závitmi. V magnetickom poli sa pohybuje feromagnetický prvok spojený z meraným predmetom. Napätie v snímacej cievke je dané časovou zmenou toku Φ, riadeného magnetickým odporom vzduchovej medzery. Zmene jej dĺžky či prierezu zodpovedá amplitúda výstupného napätia. Vzhľadom k jednoduchosti týchto snímačov nevyžadujúcich vonkajší napájací zdroj je ich hlavné použitie pri meraní rýchlosti.
Elektrodynamické snímače využívajú pohyb vodiča resp. cievky v magnetickom poli. Ak sa pohybuje vodivý pás šírky l v magnetickom poli, je možné medzi kontaktmi v smere kolmom k rovine vektora rýchlosti a indukcie zmerať napätie. Tento princíp je používa elektrodynamický snímač kmitavého pohybu. Vo vzduchovej medzere magnetického obvodu je na pružnej membráne zavesená cievka, na ktorú sa prostredníctvom tiahla prenáša meraný kmitavý pohyb v rozmedzí zdvihov 2 μm – 5 mm pásma frekvencií 1 Hz – 3 kHz. Indukované napätie má rovnaký priebeh ako rýchlosť pohybu cievky s citlivosťou asi 10V/ms-1, špeciálne snímače pre seizmické merania až 10kV/ms-1. Pre stanovenie amplitúdy kmitov sa indukované napätie integruje, zrýchlenie sa určí jeho deriváciou.
Optické snímače polohy
Použitie princípov optiky umožňuje konštrukciu miniatúrnych snímačov polohy s vysokou rozlišovacou schopnosťou limitovanou javmi pri ohybe svetla, t.j. rádovo μm. Základnou prednosťou je necitlivosť voči elektromagnetickému rušeniu a galvanické oddelenie meraného objektu a meracieho obvodu. Pri prenose informácií optickými vláknami je možné použitie v horľavých a výbušných prostrediach. Zdrojom žiarenia sú luminiscenčné alebo laserové polovodičové diódy, snímacie prvky (fotodiódy, fototranzistory, CCD snímače).
Optické snímače polohy delíme do dvoch skupín: a) snímače pre spojité meranie polohy
b) snímače pre nespojité vyhodnocovanie
Optické snímače pre spojité meranie polohy
Výstupom absolútnych snímačov je signál s úplnou informáciou o polohe tým, že ju definuje vzhľadom k referenčnému bodu. Konštrukčná realizácia je kódový obrazec so systémom priehľadných a nepriehľadných plôch. Nimi prechádza svetelný tok dopadajúci na sústavu geometricky presne usporiadaných snímačov, ktoré vytvoria digitálnu informáciu o absolútnej polohe meraného predmetu.
Výstupom inkrementálnych snímačov je sled impulzov inkrementujúcich obsah čítača.
Zvláštnym typom snímačov sú tzv. optoelektronické CCD snímače založené na aplikácii nábojovo viazaných štruktúr, ktoré sú schopné vyhodnocovať súradnice osvetlených bodov ako riadkový alebo plošný senzor. Snímač môže obsahovať až 15000 fotocitlivých bodov s rozmermi 100 x 100 až 7 x 7 μm. čítacia frekvencia sa pohybuje v rozsahu 2 – 20 MHz. Plošné snímače umožňujú znázorniť aj dvojrozmerné obrazy.
Ultrazvukové snímače polohy
Ultrazvukové snímače polohy pracujú na princípe merania doby, za ktorú prijímač detekuje ozvenu ultrazvukových impulzov generovaných vysielačom a odrazených od snímaného objektu. Dva základné funkčné bloky sú vysielač ultrazvuku – magnetostrikčný menič pre nízke frekvencie alebo piezoelektrický snímač pre vysoké frekvencie a prijímač ultrazvuku, ktorý mení odrazené mechanické kmity na elektrické.
Snímače rýchlosti
Pre meranie rýchlosti priamočiareho a kmitavého pohybu sa používajú indukčné snímače. Najčastejším problémom je meranie rýchlosti otáčavého pohybu, t.j. uhlovej rýchlosti otáčania ω. Podľa použitého princípu rozdeľujeme tieto snímače do štyroch skupín:
1. mechanické otáčkomery
2. spojité indukčné otáčkomery – magnetické, elektrodynamické – jednosmerné alebo
striedavé
3. impulzné otáčkomery – kontaktné, optoelektronické, indukčné, pneumatické
4. stroboskopické otáčkomery
Mechanické otáčkomery využívajú účinky odstredivej sily na rotujúcu hmotu, ktorej pohyb sa dá konštrukčne previesť na stupnicu prístroja.
Magnetické otáčkomery využívajú účinok vírivých prúdov indukovaných v Al prstenci magnetickým polom pri otáčaní hriadeľa.
Elektrodynamické otáčkomery sú najdôležitejšou skupinou otáčkomerov. Podľa indukčného zákona generujú napätie priamo úmerné otáčavej rýchlosti ω.
Stroboskopický otáčkomer je funkčne založený na zotrvačnosti zrakového vnemu a tým spájanie oddelených fáz pohybu na vnem spojitého pohybu.
