Fyzikální principy snímačů

PŘEVODNÍKY, principy přenosu informace

1 Senzory a jejich význam v průmyslu

Průmyslová výroba se v dnešní době bez automatizačních prostředků neobejde. Aby počítače, které technologické procesy řídí, mohly rozhodnout, co mají vykonat, musejí obsahovat prostředky, jež celý proces sledují. Ve skutečnosti jsou totiž samy o sobě slepé. Je to stejné, jako by se měl člověk rozhodovat, pokud by mu chyběly základní smysly jako například zrak a hmat. Bez vstupních zařízení – snímačů – nedokážou počítače zpracovávat žádné informace. Ke každému průmyslovému počítači tedy musí být připojeny snímače – senzory, které mu poskytují informace o stavu prostředí, jež sleduje a řídí. Mohou to být například informace o teplotě, tlaku, vzdáleností, rychlosti.

 

UvP_ELEKTRO_EL50_01

 

Senzor je základní prvek, který je v přímém kontaktu se sledovaným prostředím a poskytuje o něm počítači informace. Je tedy zdrojem informací o fyzikálních, chemických, ale i biologických stavech v daném prostředí.

Dříve mělo slovo senzor stejný význam jako snímač, čidlo, detektor. V dnešní době označujeme jako čidlo vlastní citlivou snímací část senzoru. Senzory mohou být prvky s vlastním mikropočítačem a inteligencí (smart senzory).

 

UvP_ELEKTRO_EL50_02

Pak kromě snímání určité veličiny umožňují i převod této veličiny až na číselnou hodnotu, která odpovídá měřené fyzikální veličině, například stupňům Celsia. Toto číslo jsou poté schopny přenést po sériové lince přímo do řídicího počítače. Takovéto uspořádání má velký význam, protože nemusíme každý snímač připojovat vlastním vedením (úspora vodičů i času, který by se musel vynaložit na jejich položení v průmyslových halách), ale můžeme použít některé průmyslové rozhraní, jako například RS 485, a vytvořit síť pro multiprocesorovou komunikaci. V moderní automatizaci jde vývoj směrem ke sběrnicím a vytváření sítí. I binární vstupy se připojují po osmi (i šestnácti) do uzlů, které jsou částí sběrnice. Celá komunikace se tak dostává na vyšší úroveň. Výhodou je samozřejmě také skutečnost, že v počítači nemusí být analogový multiplexer a A/D převodník. Číslicový počítač pracuje s čísly a tato čísla přijímá již přímo od různých senzorů. Aby se s nimi počítač domluvil, musí mít každý senzor svoji identickou, nezaměnitelnou adresu.

2 Fyzikální principy senzorů

Fyzikální jev

Princip

Termoelektrický jev

Pokud vodivě spojíme dva kovy s různou výstupní prací elektronů, pak při různé teplotě měřicího a srovnávacího konce vodičů naměříme na srovnávacím konci napětí, které je úměrné teplotě na měřicím konci

Dilatační jev

Při ohřevu mění látka délku nebo objem

Fotoelektrický jev

Dopadem světla na fotoelektrický materiál se přeměňuje světelná energie na elektrickou. To se projeví jako změna elektrických vlastností nebo vodivosti či vznikem napětí

Hallův jev

Pokud prochází v jedné ose rovinného polovodičového plátku proud a kolmo na rovinu působí magnetické pole, vzniká v kolmém směru na směr proudu Hallovo napětí

Piezoelektrický jev

Pokud působí na piezoelektrický krystal síla, vzniká na elektrodách náboj

Tenzometrický jev

Vlivem změny délky vodiče při namáhání se mění jeho odpor

 

Tab. 1: Fyzikální principy senzorů

K získávání informací se používají různé snímače (senzory), které pracují na základě různých fyzikálních principů. Některé z těchto principů jsou uvedeny v předchozí tabulce.

Jak již bylo uvedeno výše, dělíme je:

 

  • podle fyzikálních principů,
  • podle vstupního signálu (mechanické, tepelné, …),
  • podle elektrického výstupního signálu (aktivní – samy generují výstupní signál /generátory/ – a pasivní, například odporové snímače),
  • podle principu snímání na kapacitní, magnetické, odporové, optické, ultrazvukové,
  • na interní a externí.

Aby řídicí systém mohl plnit požadované úkoly, musí mu jeho senzory poskytovat potřebné informace včas s požadovanou přesností a spolehlivostí. Technologický proces musí obsahovat senzory, jež obsáhnou prostředí, které se sleduje a řídí. Pokud tedy navrhujeme senzorický systém, musíme nejprve dokonale znát prostředí a pak teprve navrhnout senzorický systém tak, aby neomezoval řídicí systém a neposkytoval falešné údaje.

Nyní se zaměříme na kapacitní, magnetické, ultrazvukové a optické senzory.

2.1 Indukční senzory

Tento název v literatuře většinou zahrnuje senzory indukční i indukčnostní. V indukčních senzorech je indukováno napětí vnějším polem. U indukčnostních snímačů polohy spočívá převod polohy tělesa na změnu vlastní nebo vzájemné indukčnosti. Nejčastěji se využívají právě senzory na principu indukčnostním.

UvP_ELEKTRO_EL50_03

Aktivním prvkem tohoto snímače je cívka, která je navinuta na jádru poloviny feritového hrníčku. Princip činnosti spočívá v rozlaďování oscilátoru po přiblížení feromagnetického materiálu. Cívkou protéká vysokofrekvenční proud, který vytváří elektromagnetické pole. To vystupuje z hrníčku. Pokud se k aktivní ploše senzoru přiblíží kovový předmět, indukují se v něm vířivé proudy, které tlumí kmitání oscilátoru. Komparátor pak porovná vstupující napětí s prahovou hodnotou a překlopí klopný obvod. Na výstupu po zesílení dostaneme výstupní signál jako logickou proměnnou, která odpovídá tomu, zda senzor detekuje kovový předmět. Výstupní napětí bývá většinou 24 V SS.

2.2 Kapacitní senzory

Tyto senzory pracují bezdotykově. Převádějí měřenou veličinu na kapacitu kondenzátoru. Mohou detekovat jak vodivé, tak nevodivé materiály. Hlavně se používají pro snímání nekovových předmětů a hlídání hladin kapalin a sypkých hmot.

 

UvP_ELEKTRO_EL50_04

Existuje několik způsobů vyhodnocování. Jednou z možností je rezonanční metoda. Zde tvoří kondenzátor součást LC obvodu a kapacita se pak převádí na kmitočet oscilátoru. Rezonanční obvod podle zapojení pracuje spojitě i nespojitě.

 

UvP_ELEKTRO_EL50_05

Z obrázku (obr. 4: Blokové schéma kapacitního snímače) je zřejmé, že aktivním prvkem snímače jsou dvě elektrody. Ty tvoří měřicí kondenzátor, který je součástí LC oscilátoru. Pokud vložíme předmět před elektrody, změní se kapacita kondenzátoru a tím i frekvence oscilátoru. V případě použití spojitého senzoru se převede spojitá změna frekvence na spojitou změnu napětí. U nespojitého senzoru po dalším přiblížení předmětu dojde k výpadku oscilátoru. Komparátor tuto změnu vyhodnotí a na výstupu změní stav.

Z hlediska principu snímání může být před senzorem materiál nevodivý, vodivý nebo vodivý uzemněný.

Nevodivá clonka (sklo, plast) zvýší kapacitu jen změnou dielektrika v rozsahu elektrického pole kondenzátoru. Toto zvětšení kapacity je relativně malé a závisí na rozměrech a permitivitě clonky. Spínací vzdálenost je proto rovněž malá. [2]

Přiblížením elektricky vodivé clonky (kov), která není uzemněná, vzniknou paralelně k základnímu kondenzátoru další dva v sérii zapojené kondenzátory – mezi elektrodou senzoru a clonkou a mezi clonkou a stíněním. Zvětšení kapacity je větší než v předchozím případě, a tudíž je i spínací vzdálenost větší. [2]

Výše uvedené principy indukčních a kapacitních senzorů jsou podrobněji probrány proto, že se s nimi setkáváme v různých oblastech měření. Dalším typem senzorů, které se velmi často používají, jsou senzory odporové.

2.3 Odporové snímače

Využívají změnu elektrického odporu. Senzory se vyrábějí z kovu nebo z polovodičového materiálu. Nejčastěji se používají následující kovy: platina, nikl, molybden.

2.3.1 Snímače teploty

Pro vyjádření teploty se v různých částech světa používají různé jednotky:

  • Kelvin (pozor, neuvádí se ve stupních) je definován v soustavě SI (T),
  • °C, teplota ve stupních Celsia (t), t = T − 273,16 (°C, K),
  • °F, teplota ve stupních Fahrenheita (f), f = (9/5)*t + 32 (°F, °C).

Teplota se vždy měří nepřímým způsobem. Využíváme fyzikální principy:

  • dilatační jev,
  • změnu elektrických vlastností (odpor, termoelektrické napětí, polovodičový efekt),
  • elektromagnetické záření.

Dále dělíme měření teploty na dotykové a bezdotykové.

Využívají změnu elektrického odporu na teplotě. Senzory se vyrábějí z kovu nebo z polovodičového materiálu. Nejčastěji se používají následující kovy: platina, nikl, molybden.

Termistory dělíme na:

  • negastory, vyrábějí se práškovou technologií a používají se v teplotním rozsahu −80 až 200 °C (speciální až 1 000 °C); mají negativní teplotní závislost,
  • pozistory, polykrystalické termistory s kladným teplotním součinitelem, používají se do 400 °C.

Při vyhodnocování elektrického odporu se často využívá můstkové zapojení.

UvP_ELEKTRO_EL50_06

 

Toto zapojení má nevýhodu, že odpor vedení Rv1 a Rv2 se započítává do větve s měřeným odporem Rm, a při změnách teploty tak dochází k nepřesnostem.

Častěji se používá zapojení třívodičové. V tomto případě, jak je zřejmé z obrázku 5, se odpor vedení rozloží do dvou větví Rm + Rv2 a R1 + RV1. Nedochází tak k rozvážení můstku vlivem odporu vedení.

UvP_ELEKTRO_EL50_07

2.4 Optické senzory

Optické senzory, které přesněji nazýváme fotoelektrické nebo optoelektronické, se stále více používají v průmyslu. Pracují tak, že přeměňují světlo (elektromagnetické vlnění) na elektrický proud. V dnešní době představují nejvíce využívané senzory v průmyslu. Stále se vyvíjejí, mají stále menší rozměry a stoupající výkonnost. Jejich výhodou je necitlivost vůči elektromagnetickým polím. Používají se v různých aplikacích:

  • úlohy pro dopravu materiálu a dopravníkové pásy:
    • detekce přítomnosti materiálu,
    • detekce značek,
    • hlídání plnění,
    • kontrola polohy nebo velikosti,
    • kontrola chybějících částí výrobku;
    • hlídání polohy při navíjení pásů,
    • kontrola rozměrů při velkých vzdálenostech,
    • hlídání výšky hladiny,
    • rozlišování barev.

Optické senzory většinou dělíme do tří skupin:

  • reflexní senzory,
  • reflexní závory,
  • jednocestné závory.

2.4.1 Reflexní senzory

Reflexní senzory snímají a měří světelný výkon. Ten pak vyhodnotí a porovnají s přednastavenou požadovanou hodnotou. Kromě měření vzdálenosti zpracovávají i jiné optické parametry, a to hlavně kontrast a barvu. Z principu činnosti senzoru vyplývá, že vzdálenost snímání závisí na tom, jak předměty světlo odrážejí (jinak předměty tmavé a jinak světlé) a na citlivosti senzoru. Typická spínací vzdálenost pro reflexní senzory je 0 až 500 mm.

UvP_ELEKTRO_EL50_08

2.4.2 Reflexní závory

Reflexní závory vyzařují světlo, které se po odrazu od předmětu (lesklého) nebo odrazky vrací zpět. K aktivování výstupu tak dochází při přerušení optické dráhy objektem, který světlo neodráží. Tyto závory se používají pro dosah 0,1 až 10 m. Díky odrazu od lesklého materiálu mají tyto závory mnohem větší výkon než reflexní senzory.

UvP_ELEKTRO_EL50_09

2.4.3 Jednocestná závora

Jedná se o velmi jednoduchý princip snímání předmětu. Světlo, které vysílá zdroj, se dostává k přijímači. Pokud se jeho dráha přeruší nějakým objektem, výstup senzoru se aktivuje. Podmínky správné činnosti jsou:

  • vzájemná stabilita světelného zdroje a přijímače,
  • v cestě mezi přijímačem a vysílačem nesmí být žádná jiná překážka než zjišťovaný předmět,
  • správné seřízení vysílače a přijímače – to znamená, že musí být bezpodmínečně v ose proti sobě,
  • světlo musí být modulované.

Pokud jsou splněny výše uvedené podmínky, pak mohou závory snímat předměty až do vzdálenosti 200 m.

UvP_ELEKTRO_EL50_10

2.4.4 Inkrementální senzory

Používají se pro měření a řízení polohy, natočení, rychlosti, zrychlení a délky (většinou taženého materiálu). Jejich využití je v celém rozsahu aplikací v oblasti průmyslu, ale i v počítačové technice a samozřejmě v robotice. Vyznačují se vysokou přesností, rozlišovací schopností, malými rozměry a nízkou hmotností.

 

UvP_ELEKTRO_EL50_11

Vyrábějí se v nepřehledném sortimentu typů a provedení (obr. 12: Fyzické provedení snímače), hlavně jako lineární a rotační. Výsledný signál, který ze snímače vychází, mívá ustálený

UvP_ELEKTRO_EL50_12

tvar – dvojici binárních fázově posunutých signálů. Pokud snímá pohyb s konstantní rychlostí, pak jsou to periodické obdélníkové signály symetrické, fázově posunuté. Vyhodnocením posloupností jejich fází a úrovní rozlišujeme směr pohybu a rychlost. Informace o poloze se dá zjemnit. Pro každou periodu lze získat čtyři impulzy s informací o přírůstku.

UvP_ELEKTRO_EL50_13

 

Z hlediska fyzikálních principů se v těchto senzorech využívá jev fotoelektrický a Hallův. Při využití fotoelektrického jevu používáme kotoučky nebo pásky, které v sobě mají otvory, nebo se střídají průhledné a neprůhledné rysky. Pak je světlo, jejž emituje LED dioda, přerušované a signál, který přijímá fotosenzor, je kvadraturní. Z obrázku 13 vyplývá, že signály jsou dva. Pak detekujeme signály, které jsou uvedeny na obrázku 13. Z těchto signálů již lehce určíme směr, rychlost a další odvozené veličiny. Pro mnohé případy je ale výstupní frekvence tak vysoká, že vyhodnocování nelze řešit programem. Musíme si vypomoct nějakým doplňujícím hardwarem. Jednou z možností je využití čítače 74190, jak ukazuje obrázek 14.

 

UvP_ELEKTRO_EL50_14

Podle toho, který signál přichází dříve, čítač impulzy přičítá, nebo odečítá. LED dioda připojená k výstupu D_KO určuje směr otáčení.

Pokud připojujeme inkrementální snímač přímo k počítači, můžeme použít zapojení podle obrázku 15. Vidíme, že z obvodu LS7084 vystupuje již přímo frekvence úměrná rychlosti a signál, jehož úroveň určuje směr pohybu.

UvP_ELEKTRO_EL50_15

2.4.5 Absolutní senzor

Tento senzor je složitější než inkrementální a pro snímání vyžaduje větší počet snímacích prvků. Jeho předností však je, že výstupní hodnota udává absolutní velikost natočení v rozsahu 0 až 360°. Jedna otáčka kotouče však v praxi nestačí, a proto je vybaven čítačem inkrementujícím počet otáček. Obsah tohoto čítače pak dohromady s kódem aktuální pozice kódového kotouče tvoří absolutní údaj o poloze natočení. Princip kódování je následující.

UvP_ELEKTRO_EL50_16

Svazek optických paprsků prochází optickým kotoučem a senzory tyto paprsky zaznamenávají. Jejich výstupem je pak přímo digitální informace o poloze v binární hodnotě. Pro kódování se kromě klasického binárního kódu používá kód, který má větší odolnost vůči chybám – nazývá se Grayův.

UvP_ELEKTRO_EL50_17

 

Zpracoval(a):Ing. Josef Kovář

Seznam použitých zdrojů

  1. Automatizační systémy I. [online]. Přístup ke zdroji:

http://web.spscv.cz/~madaj/autsys1.pdf.

 

  1. MARTINEK, Radislav. Senzory v průmyslové praxi. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2008. 199 s. ISBN 80-730-0114-4.

 

  1. HRUŠKA, František. Technické prostředky informatiky a automatizace. UTB, 2012.

 

Další výukové materiály:

Fyzikální principy snímačů – prezentace

 Fyzikální principy snímačů – test