2013-05-28

1

Mechanika i mechatronika

• Bibliografia:
1. Schmid D., Mechatronika, tłum. z niem. oprac. wersji

pol. Olszewski M., Wyd. REA, Warszawa 2002.

2. Bishop R. H., The Mechatronics Handbook, Austin,

Texas, CRC Press 2002.

3. Turowski J., Podstawy Mechatroniki, Wyd. WSHE,

Łód

ź

2008.

4. Heimann

B.,

Gerth W.,

Popp

K.,

Mechatronika.

Komponenty, metody, przykłady. PWN, Warszawa
2001.

5. Gad-el-Hak M. The MEMS Handbook, CRC Press

2006.

Czym jest mechatronika?

mechanics + electronics = mechatronics

mechanika + elektronika = mechatronika

Definicje, cel i zakres mechatroniki

Okre

ś

lenie mechatronika zostało wprowadzone do terminologii technicznej

przez japo

ń

sk

ą

firm

ę

Yaskawa Elektric Corporation (f-ma zało

ż

ona w

1915 r.) i od 1971 r. było chronione jako nazwa handlowa.

W 1982 roku Yaskawa Elektric Co. zrezygnowała z ochrony patentowej
swojego znaku handlowego i od tej pory wszyscy mog

ą

u

ż

ywa

ć

tego

okre

ś

lenia.

Mechatronika jest dziedzin

ą

interdyscyplinarn

ą

, ł

ą

cz

ą

c

ą

w

sposób synergiczny wiedz

ę

z klasycznej budowy maszyn,

hydrauliki, pneumatyki, elektrotechniki elektroniki, optyki i
informatyki.

Intergracja różnych dziedzin techniki i nauki

2013-05-28

2

Architektura systemu mechatronicznego

System mechatroniczny jest to zamkni

ę

ty układ

sterowania zbudowany z nast

ę

puj

ą

cych jednostek

funkcjonalnych

:

-

obiektu podlegaj

ą

cego kontroli

- moduł pomiarowy
-

układ steruj

ą

cego

- modułu nastawczego

System mechatroniczny jest zintegrowany na poziomie
sprz

ę

towym i programowym.

Systemowe podej

ś

cie przy projektowaniu urz

ą

dze

ń

i

systemów mechatronicznych

Interdyscyplinarno

ść

mechatroniki wymusza inne podej

ś

cie

do projektowania urz

ą

dze

ń

, maszyn i systemów, ni

ż

to ma

miejsce w przypadku rozwi

ą

za

ń

konwencjonalnych.

W mechatronice ju

ż

od fazy wst

ę

pnej koncepcji projektu

uwzgl

ę

dnia

si

ę

cele

funkcjonalne

i

u

ż

ytkowe

danego

rozwi

ą

zania.

Jest to podej

ś

cie systemowe, a nie proste doł

ą

czanie do

układów

ju

ż

funkcjonuj

ą

cych

elementów

sterowania

automatycznego.

Klasyfikacja systemów mechatronicznych

W zale

ż

no

ś

ci od technologii produkcji oraz wielko

ś

ci bloków

funkcjonalnych wchodz

ą

cych w skład systemu mechatronicznego

wyró

ż

niamy trzy rodzaje systemów:

- systemy mechatroniczne

- systemy mikroelektromechaniczne (MEMS –

MicroElectroMechanical Systems)

- systemy nanooelektromechaniczne (NEMS –

NanoElectroMechanical Systems)

2013-05-28

3

Klasyfikacja czujników

Czujnik

przetwornik

wielko

ś

ci

fizycznej

(odległo

ść

,

siła

temperatura itd.) na sygnał elektryczny.

Klasyfikacja czujników ze wzgl

ę

du na zasad

ę

działania:

-potencjometryczne

-pojemno

ś

ciowe

-indukcyjne

-ultrad

ź

wi

ę

kowe

-tensometryczne

-piezoelektryczne

-piezorezystywne

-

ś

wiatłowodowe

Sensory

Klasyfikacja czujników ze wzgl

ę

du na mierzon

ą

wielko

ść

:

- poło

ż

enia, odległo

ś

ci i k

ą

ta obrotu

- przyspieszenia
- siły, ci

ś

nienia i momentu obrotowego

- przepływu
- temperatury
- nat

ęż

enia

ś

wiatła

Klasyfikacja czujników ze wzgl

ę

du na

ź

ródło energii

sygnału pomiarowego:
- pasywne - energia potrzebna do wytworzenia sygnału
wyj

ś

ciowego jest czerpana ze zjawiska fizycznego (pomiar

temperatury z wykorzystaniem termopary)
- aktywne - wymagaj

ą

zewn

ę

trznego

ź

ródła energii do

wytworzenia sygnału wyj

ś

ciowego (pomiar napr

ęż

enia z

wykorzystaniem tensometru)

Czujniki poło

ż

enia, odległo

ść

i, k

ą

ta obrotu

1. Czujniki dotykowe (inwazyjne)

•

LVDT – Linear Voltage Differential Transformer

•

Potencjometry

2. Czujniki zbli

ż

eniowe bezdotykowe (bezinwazyjne)

•

indukcyjne

•

pojemno

ś

ciowe

•

ultrad

ź

wi

ę

kowe

•

resolver (bezdotykowy transformator poło

ż

enia k

ą

towego)

3. Enkodery

2013-05-28

4

Czujnik LVDT/RVDT (Linear/Rotational Voltage Differential
Transformer)

różnicowy

przetwornik

przemieszczeń

liniowych/kątowych wykorzystuje zjawisko zmiany natężenia pola
magnetycznego wewnątrz uzwojenia spowodowane zmianą położenia
rdzenia ferrytowego.

Przesunięcie rdzenia powoduje zmianę

indukcyjności wzajemnej

obwodu pierwotnego

i

wtórnego.

Przy

stałym

napięciu

pierwotnym, zmienia się więc napięcie wtórne.

LVDT

* Odporne na trudne warunki otoczenia

* Duża trwałość, brak tarcia

* Dotykowe pomiary niewielkich odległości i przemieszczeń (poniżej 1 m)

•Pomiary przemieszczeń do ok. 1m

Transformatorowy przetwornik przemieszczenia liniowego
(LVDT) - Jest to popularny przetwornik przemieszczenia, jest
transformatorem z ruchomym rdzeniem. Do uzwojenia
pierwotnego doprowadza się napięcie zmienne i mierzy się
napięcie indukowane w uzwojeniu wtórnym.

Zalety i wady

* Niski koszt

* Minimalna obróbka (przygotowanie) sygnału

* Niska trwałość

Uz

Uw

Element oporowy – zwój drutu (lepsza liniowość), lub plastyk (lepsza rozdzielczość)

Potencjometry

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy działa na zasadzie zmiany swojego
pola elektromagnetycznego wskutek przemieszczania przewodnika
metalicznego.

W przewodniku indukowane są prądy wirowe, które pobierają energię z
pola, zmniejszając w ten sposób wysokość amplitudy drgań. Prądy
wirowe indukowane w ekranie metalowym wytwarzają własne pole
osłabiające pole główne. Zbliżanie ekranu zmniejsza strumień
magnetyczny.

Reakcją na zbliżany metal jest zamknięcie lub rozwarcie obwodu

elektrycznego.

indukcyjny czujnik zbliżeniowy posiada cztery główne komponenty

cewkę, oscylator, obwody detekcji i obwody wyjściowe

Czujniki indukcyjne - zasada działania

2013-05-28

5

Dzi

ę

ki interakcji pól amplituda oscylacji zmniejsza si

ę

. Jest ona

monitorowana przez obwody detekcji sensora, które poni

ż

ej

pewnej warto

ś

ci amplitudy powoduj

ą

aktywacj

ę

obwodów

wyj

ś

ciowych.

Zasada działania indukcyjnego czujnika zbli

ż

eniowego

Czujniki indukcyjne

t [s]

i(t)

t [s]

i(t)

Czujniki indukcyjne

Zalety

Wady

* Eliminują potrzebę kontaktu

* Wykrywają jedynie metal

* Wykrywają metal przez barierę

niemetaliczną

* Wymiar powinien być większy niż

1,5 średnicy cewki

* Odporne na trudne warunki

ś

rodowiskowe

* Stosunkowo mały zakres

pomiarowy, zwykle 30-50%
ś

rednicy cewki

* Mały czas odpowiedzi

* Zakłócenia pomiarów przez wiórki

metalowe

* Duża trwałość, praktycznie

nieskończona liczba cykli pracy

Czujniki pojemnościowe

Służą głównie do kontroli poziomu cieczy w zbiornikach, wykrywania
materiałów ziarnistych i proszkowych, elementów z tworzyw sztucznych,
szkła, drewna i metalu.

Czujniki pojemnościowe mierzą odległość między czujnikiem a przedmiotem
wykrywając zmiany pojemności szczeliny powietrznej.

2013-05-28

6

Czujniki pojemnościowe

Zalety

Wady

* Mogą wykryć praktycznie wszystko

* Zwykle mały zakres pomiarowy

(mniej niż 15 mm)

* Mogą wykryć ciecz przez barierę

niemetaliczną

* Wrażliwe na zanieczyszczenia,

zmiany temperatury, wilgotności

* Dokładne w czystym środowisku

* Czułość jest funkcją kształtu i

rodzaju materiału

* Krótki czas odpowiedzi

* Detekcja odległości i rodzaju

materiału

* Duża trwałość, praktycznie

nieskończona liczba cykli pracy

Czujniki ultradźwiękowe

Zalety

Wady

* Wykrywają więcej rodzajów

obiektów, niż pozostałe

* „Martwa strefa” blisko czujnika –

nie mogą wykrywać bliskich
obiektów

* Duży zakres pomiarowy, większy

niż dla czujników indukcyjnych i
pojemnościowych

* Nie mogą wykrywać małych

obiektów

* Duża trwałość, praktycznie

nieskończona liczba cykli pracy

* Gładkie powierzchnie muszą być

umieszczone prostopadle do
czujnika

* Niska cena

* Niezbyt duża dokładność

Sensory cyfrowe – enkodery

1) Inkrementalne sensory położenia (impulsowe)

-

optyczne sensory położenia liniowego i kątowego

-

magnetyczne sensory położenia liniowego i kątowego

2) Absolutne sensory położenia (kodowe)

Inkrementalne sensory przemieszczenia wyposażone są w
liniał z podziałką kreskową. Odczytywanie położenia kresek
dokonywane jest metodami optycznymi lub magnetycznymi

Przetworniki

obrotowo-impulsowe

są

urządzeniami

obrotowymi. Na wyjściu generują podwójny ciąg impulsów
przesuniętych względem siebie o 90°. Pozwala to rozróżnić
kierunek obrotu wałka. Na każdy obrót osi enkodera na wyjściu
pojawia się określona ilość impulsów.
Jeżeli mamy enkoder o impulsacji 1000 imp/obr to na wyjściu
pojawi

się

impuls

przy

obrocie

osi

wałka

o

każde

360/1000=0,36°.

Przetworniki obrotowo-impulsowe stosowane są w układach
gdzie występuje określona zależność między jednym obrotem a
inną wielkością fizyczną.
Podłączając na wyjściu standardowe liczniki impulsów możemy
tworzyć układy pomiarowe długości, prędkości obrotowej przy
jednostronnym kierunku obrotów. Stosując liczniki z wejściem
kwadraturowym możemy liczyć długość z rozróżnieniem
kierunku obrotu.

Enkodery inkrementalne (obrotowo-impulsowe)

2013-05-28

7

Enkodery inkrementalne - magnetyczne

Enkodery magnetyczne składają się z czujników, zmieniających
swój opór magnetyczny pod wpływem zewnętrznego strumienia
magnetycznego. Strumień magnetyczny natomiast jest wytwarzany
przez namagnesowany liniał z magnesami trwałymi.

Reluktancja czujników zmienia się w przybliżeniu 1,6%, gdy pole
magnetyczne wzniecone przez liniał zmienia swoją biegunowość.
Czujniki są połączone elektrycznie mostkiem i zasilane stałym
napięciem 5V. Sygnał na wyjściu mostka zmienia się sinusoidalnie,
reagując na zmiany rezystancji czujnika. Przesunięcie się
namagnesowanego liniału o jedną podziałkę biegunową odpowiada
jednemu okresowi sygnału wyjściowego.

Enkodery inkrementalne – magnetyczne

Zasada działania

Enkodery optyczne posiadają klasę dokładności o wiele wyższą niż
enkodery magnetyczne. Technologia optyczna jest najszerzej
stosowana w przemyśle

Enkodery magnetyczne

charakteryzują

się prostotą,

solidną

budową

i

niskim

kosztem,

ale

ograniczoną

czułością

na

zanieczyszczenia. Mogą natomiast pracować w obecności ciężkich
cieczy. Wykonywane są z metalu i dlatego mogą stawiać opór
silniejszym drganiom. Uznawane są za bardziej niezawodne i
pobierają mniej energii.

Enkodery inkrementalne – porównanie

Enkodery absolutne

Enkodery absolutne mogą mieć liniały lub tarcze kodowe
Najbardziej rozpowszechnionymi kodami wykorzystywanymi w
tego typu urządzeniach to naturalny kod dwójkowy (ang. natural
binary code – NBC), kod Gray’a lub kod dwójkowo-dziesiętny
(ang. binary code decimal – BCD).

Zasada działania enkodera absolutnego: absolutna skala liniowa, detekcja bitów

Obrotowe tarcze kodowe stosowane są w sensorach absolutnego
położenia kątowego, a w połączeniu z przekładnią śrubową lub
przekładnią zębatkową - do pomiarów absolutnych położeń
liniowych.

2013-05-28

8

Enkodery absolutne

Przetworniki obrotowo-kodowe wykonywane są jako urządzenia
jedno- i wieloobrotowe (ograniczona ilość impulsów). Na wyjściu w
zależności od położenia kątowego wałka generują sygnał kodowy.
Pozwala to dokładnie określić kąt obrotu i ilość wykonanych
obrotów (dla enkoderów wieloobrotowych). Można powiedzieć, że
enkodery absolutne dokładnie “pamiętają” położenie kątowe osi.

Jeżeli mamy enkoder wieloobrotowy o rozdzielczości określonej
jako 25 bitów (z czego 13 bitów przypada na każdy obrót i 12 na
ilość obrotów) to możemy określić położenie kątowe z dokładnością
do 1/8192=0,0012° na 4096 obrotów.

Enkodery absolutne stosowane są w układach pozycjonowania,
kalibracji maszyn, robotyce itp.

Zjawisko fizyczne

Zjawisko fizyczne

– przemiana, na skutek której zmieniaj

ą

si

ę

tylko

wła

ś

ciwo

ś

ci fizyczne ciała lub obiektu fizycznego,

natomiast wła

ś

ciwo

ś

ci chemiczne pozostaj

ą

bez zmian.

Zjawisko fizyczne to zmiany i procesy zachodz

ą

ce dookoła

nas w przyrodzie, np. topnienie lodu.

Aby zjawiska fizyczne mogły zaj

ść

, potrzebna jest siła.

Siłami s

ą

ró

ż

ne oddziaływania, np. oddziaływania

podstawowe jak oddziaływanie elektryczne, magnetyczne,
grawitacyjne lub oddziaływania pochodne, np.
mi

ę

dzycz

ą

steczkowe czy tarcie.

Zjawiska fizyczne wykorzystywane w

czujnikach i aktuatorach urz

ą

dze

ń

mechatronicznych

Indukcja elektromagnetyczna

Indukcja elektromagnetyczna - zjawisko powstawania siły
elektromotorycznej w przewodniku na skutek zmian
strumienia pola magnetycznego.

Zmiana ta mo

ż

e by

ć

spowodowana zmianami pola

magnetycznego lub wzgl

ę

dnym ruchem przewodnika i

ź

ródła pola magnetycznego.

Zjawisko

to

zostało

odkryte

w

1831

roku

przez

angielskiego fizyka Michała Faradaya.

Zjawisko piezoelektryczne

Zjawisko piezoelektryczne lub efekt piezoelektryczny–
zjawisko fizyczne polegaj

ą

ce na:

• mechanicznej

deformacji

kryształu

pod

wpływem

zewn

ę

trznego

pola

elektrycznego

(zjawisko

piezoelektryczne odwrotne),

• powstawaniu na przeciwległych

ś

cianach kryształów

ładunków elektrycznych przeciwnego znaku w wyniku
deformacji kryształu (zjawisko piezoelektryczne proste).

Zjawisko piezoelektryczno

ś

ci zostało odkryte w 1880 r.

przez francuskich fizyków noblist

ę

Piotra i jego brata

Jacquesa Curie.

2013-05-28

9

Zjawisko elektrostrykcji

Elektrostrykcja jest zjawiskiem polegaj

ą

cym na zmianie

wymiarów materiału pod wpływem pola elektrycznego
(napi

ę

cia).

Deformacja ferromagnetyka pod wpływem pola

elektrycznego

Zjawisko to charakteryzuje si

ę

tym,

ż

e zmiana wymiarów

zachodzi w jednym kierunku, niezale

ż

nie od kierunku

przyło

ż

onego pola elektrycznego (zjawisko proste).

Dipole w materiałach elektrostrykcyjnych uło

ż

one s

ą

w

sposób przypadkowy.

Wpływa to przy znacznej liczbie dipoli na u

ś

rednienie

wypadkowej warto

ś

ci polaryzacji do zera.

Z

powy

ż

szego

powodu

zachodzi

konieczno

ść

polaryzowania materiałów elektrostrykcyjnych.

Zjawisko magnetostrykcji

Magnetostrykcja - zjawisko zmiany kształtu i rozmiarów
materiałów magnetycznych pod wpływem pola
magnetycznego

lub

przeciwnie

–

zjawisko

zmiany

własno

ś

ci magnetycznych pod wpływem przyło

ż

onej z

zewn

ą

trz

siły

wynika

z

samorzutnej

deformacji

prowadz

ą

cej do zmniejszenia energii anizotropii.

Zjawisko magnetostrykcji zostało odkryte przez Jamesa
Joula w 1842.

Efekt odwrotny nazywa si

ę

zjawiskiem Villari’ego, od

nazwiska jego odkrywcy.

Zmiana rozmiarów pod wpływem pola magnetycznego
mo

ż

e mie

ć

charakter liniowy lub obj

ę

to

ś

ciowy.

Efekt magnetostrykcji jest wykorzystywany m.in. w
generatorach ultrad

ź

wi

ę

ków.

Zjawisko odwrotne do magnetostrykcji wykorzystuje si

ę

w

precyzyjnych czujnikach ci

ś

nienia i napr

ęż

enia.

2013-05-28

10

Efekt Halla

Efekt Halla to zjawisko fizyczne, odkryte w 1879 roku
przez Edwina H. Halla.

Polega on na wyst

ą

pieniu ró

ż

nicy potencjałów w

przewodniku, w którym płynie pr

ą

d elektryczny, gdy

przewodnik znajduje si

ę

w poprzecznym do płyn

ą

cego

pr

ą

du polu magnetycznym.

Napi

ę

cie to, zwane napi

ę

ciem Halla, pojawia si

ę

mi

ę

dzy płaszczyznami ograniczaj

ą

cymi przewodnik

prostopadle

do

płaszczyzny

wyznaczanej

przez

kierunek pr

ą

du i wektor indukcji pola magnetycznego.

Jest ono spowodowane działaniem siły Lorentza na
ładunki poruszaj

ą

ce si

ę

w polu magnetycznym.

Zjawisko Gaussa (magnetorezystancja)

Magnetoopór,

tak

ż

e

zjawisko

Gaussa

-

zjawisko

polegaj

ą

ce na zmianie oporu metali i półprzewodników

pod wpływem pola magnetycznego.

W polu magnetycznym tor cz

ą

stki naładowanej zakrzywia

si

ę

, wi

ę

c droga, jak

ą

pokonuje cz

ą

stka ulega wydłu

ż

eniu.

Objawia si

ę

t o zmniejszeniem nat

ęż

enia pr

ą

du (wzrostem

oporu).

Zjawisko

Gaussa

wykorzystywane

jest

do

pomiaru

nat

ęż

enia pola magnetycznego.

Efekt Wieganda

Efekt Wieganda– to zjawisko fizyczne odkryte przez
Johna R. Wieganda.

Specjalny drut z rdzeniem z materiału magnetycznie
mi

ę

kkiego

oraz

otulinie

z

materiału

magnetycznie

mi

ę

kkiego, nazwany drutem Wieganda, posiada dzi

ę

ki

swojej

budowie

bistabiln

ą

charakterystyk

ę

magnesowania.
W skład czujnika wchodzi tak

ż

e cewka, a w trakcie

przemagnesowywania drutu zachodzi skok Barkhausena.

Zjawisko to znalazło zastosowanie w wielu czujnikach
pomiarowych, a zalet

ą

jego jest m.in. brak napi

ę

cia

zasilaj

ą

cego czujnik oraz zakres pracy od -70°C do

+200°C.

Zjawisko termoelektryczne

Zjawisko

termoelektryczne

-

efekt

bezpo

ś

redniej

transformacji

napi

ę

cia

elektrycznego wyst

ę

puj

ą

cego mi

ę

dzy dwoma punktami układu ciał na ró

ż

nic

ę

temperatur mi

ę

dzy tymi punktami, lub odwrotnie: ró

ż

nicy temperatur na napi

ę

cie

elektryczne.

W zale

ż

no

ś

ci od kierunku transformacji

zjawisko termoelektryczne

dzieli si

ę

na:

zjawisko Seebecka

- powstanie siły termoelektrycznej w

zamkni

ę

tym obwodzie składaj

ą

cym si

ę

z dwóch ró

ż

nych

metali, o ile miejsca styku tych metali znajduj

ą

si

ę

w

ró

ż

nych temperaturach,

efekt Peltiera

- gdy pr

ą

d elektryczny przepływa, przez

miejsce zł

ą

czenia dwóch ró

ż

nych metali, to zale

ż

nie od

kierunku przepływu zł

ą

cze to nagrzewa si

ę

lub ozi

ę

bia,

zjawisko Thomsona

- nagrzewanie lub ozi

ę

bianie pod

wpływem przepływu pr

ą

du wyst

ę

puj

ą

ce równie

ż

w

jednorodnym przewodniku, którego ko

ń

ce znajduj

ą

si

ę

w

ró

ż

nych temperaturach.

2013-05-28

11

Zjawisko termooptyczne

Zjawisko termooptyczne polega na zmianie koloru
odbijanego

ś

wiatła przez materiał w zale

ż

no

ś

ci od jego

temperatury.

Zastosowania własno

ś

ci termooptycznych - indykatory

temperatury (zmieniaj

ą

ce kolor przy

ś

ci

ś

le okre

ś

lonej

temperaturze).

Efekt Pockelsa (fotospr

ęż

ysto

ść

)

Efektem Pockelsa nazywa si

ę

liniowy efekt elektrooptyczny,

czyli inaczej mówi

ą

c dwójłomno

ść

wymuszon

ą

.

Zjawisko polega na zmianie współczynnika załamania

ś

wiatła

proporcjonalnie do zewn

ę

trznego pola elektrycznego.

Wyst

ę

puje tylko w kryształach, które nie wykazuj

ą

symetrii

inwersji (a wi

ę

c wykazuj

ą

efekt piezoelektryczny).

Aby zaobserwowa

ć

efekt Pockelsa nale

ż

y przyło

ż

y

ć

pole

elektryczne do kryształu równolegle do propaguj

ą

cego si

ę

promienia

ś

wiatła.

Efekt został odkryty przez Friedricha Carla Alwina Pockelsaw
1893 roku.

Zjawisko fotowoltaiczne

Zjawisko fotowoltaiczne (efekt fotowoltaiczny) - zjawisko
polegaj

ą

ce na powstaniu siły elektromotorycznej w ciele

stałym pod wpływem promieniowania

ś

wietlnego.

W zwi

ą

zku z tym nale

ż

y do zjawisk fotoelektrycznych

wewn

ę

trznych.

Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauwa

ż

ył w roku

1839 Aleksander Edmund Becquerel.

Zjawisko to jest wykorzystywane w ogniwach
fotowoltaicznych, które coraz cz

ęś

ciej zast

ę

puj

ą

inne

rodzaje

ź

ródeł energii.

Zjawisko Faradaya

Zjawisko Faradaya(zjawisko magnetooptyczne) – polega na
obrocie (o pewien k

ą

t) płaszczyzny polaryzacji

ś

wiatła

spolaryzowanego liniowo w czasie przechodzenia

ś

wiatła

przez o

ś

rodek, w którym istnieje pole magnetyczne.

Zjawisko zostało odkryte przez Michaela Faradaya w 1845 r. i
było pierwszym eksperymentem ujawniaj

ą

cym zwi

ą

zek

ś

wiatła

z magnetyzmem.

2013-05-28

12

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny(zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) –
zjawisko fizyczne polegaj

ą

ce na

• emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (zjawisko

fotoelektryczne zwane równie

ż

zjawiskiem fotoelektrycznym

zewn

ę

trznym dla odró

ż

nienia od wewn

ę

trznego);

• przeniesieniu no

ś

ników ładunku elektrycznego pomi

ę

dzy

pasmami energetycznymi (tzw. zjawisko fotoelektryczne
wewn

ę

trzne), w wyniku na

ś

wietlania promieniowaniem

elektromagnetycznym (na przykład

ś

wiatłem widzialnym) o

odpowiedniej

cz

ę

stotliwo

ś

ci,

zale

ż

nej

od

rodzaju

przedmiotu.

Emitowane w zjawisku fotoelektrycznym elektrony nazywa
si

ę

czasem fotoelektronami.

Energia kinetyczna fotoelektronów nie zale

ż

y od nat

ęż

enia

ś

wiatła a jedynie od jego cz

ę

stotliwo

ś

ci.

Gdy o

ś

wietlanym o

ś

rodkiem jest gaz, zachodzi zjawisko

fotojonizacji, gdy zachodzi zjawisko fotoelektryczne
wewn

ę

trzne mówi si

ę

o fotoprzewodnictwie.

Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w
fotokomórkach, bateriach słonecznych, fotopowielaczach,
noktowizorach, elementach CCD w aparatach cyfrowych,
fotodiodach, itd.

Zjawisko fotoprzewodnictwa

Fotoprzewodnictwo jest to zmiana przewodnictwa
elektrycznego materiału pod wpływem promieniowania

ś

wietlnego.

Ma ono miejsce gdy energia fotonów promieniowania

ś

wietlnego padaj

ą

cego na półprzewodnik jest wi

ę

ksza ni

ż

Szeroko

ść

pasma zabronionego nast

ę

puje przechodzenie

elektronów do pasma przewodnictwa i zwi

ę

kszenie si

ę

konduktywno

ś

ci półprzewodnika.

Najwi

ę

ksza długo

ść

fali promieniowania wywołuj

ą

cego

efekt fotoprzewodnictwa nazywa si

ę

długo

ść

progow

ą

fali

i

jest

zale

ż

na

od

szeroko

ś

ci

pasma

zabronionego

półprzewodnika.

Efekt Dopplera

Efekt Dopplera-zjawisko obserwowane dla fal, polegaj

ą

ce na

powstawaniu ró

ż

nicy cz

ę

stotliwo

ś

ci wysyłanej przez

ź

ródło

fali oraz zarejestrowanej przez obserwatora, który porusza si

ę

wzgl

ę

dem

ź

ródła fali.

Dla fal rozprzestrzeniaj

ą

cych si

ę

w o

ś

rodku, takich jak na

przykład

fale

d

ź

wi

ę

kowe,

efekt

zale

ż

y

od

pr

ę

dko

ś

ci

obserwatora oraz

ź

ródła wzgl

ę

dem o

ś

rodka, w którym te fale

si

ę

rozchodz

ą

.

W przypadku fal propaguj

ą

cych si

ę

bez udziału o

ś

rodka

materialnego, jak na przykład

ś

wiatło w pró

ż

ni (w ogólno

ś

ci

fale elektromagnetyczne), znaczenie ma jedynie ró

ż

nica

pr

ę

dko

ś

ci

ź

ródła oraz obserwatora.

2013-05-28

13

Nastawnikiem (aktuatorem - ang. actuator)

nazywa się

urządzenie, które umożliwia wykonanie pewnej pracy poprzez
przetworzenie

sygnału

sterującego

w

postaci

wielkości

elektrycznej

na

proporcjonalną

wielkość

nieelektryczną(przemieszczenie, temperatura, siła).

Nastawniki są przeciwieństwem czujników, gdzie poddawana
jest

konwersji

określona

wielkość

fizyczna

na

wielkość

elektryczną.
Zamiana energii elektrycznej na inny rodzaj energii,
np. na energię mechaniczną, którą można wykorzystać np. do
napędzania różnego rodzaju elementów.

2013-05-28

14

Aktuatory hydrauliczne i pneumatyczne

Siłowniki liniowe (ruch posuwisto-zwrotny)

Siłowniki o ruchu wahadłowym (

obrotowe o ograniczonym zakresie obrotu

)

Silniki (o nieograniczonym zakresie obrotu)

Podstawowe części siłownika tłokowego

1- tuleja cylindryczna, 2 – pokrywa przednia, 3 – pokrywa tylna, 4- tłok,
5- pierścień uszczelniający połączenie ruchowe tłoka, 6 –tłoczysko, 7 – tuleja
prowadząca tłoczysko, 8 pierścień uszczelniający umieszczony w pokrywie
przedniej, 9 – pierścień zgarniający

6

Chłonność – ilość cieczy roboczej pobranej z przewodu tłocznego w jednostce czasu

Symbole graficzne silników obrotowych

2013-05-28

15

Między pompą a silnikiem hydraulicznym lub siłownikiem
występują różnorodne elementy sterujące. Elementy te - nazywane
inaczej

zaworami

- przeznaczone są. do spełniania bardzo

zróżnicowanych funkcji.

Przykładowo można wymienić następujące funkcje (zadania):
•

uruchomienie, zatrzymanie i zmiana kierunku ruchu silnika lub

siłownika.
• sterowanie natężeniem przepływu. a więc najczęściej sterowanie
prędkością rozwijaną przez silnik lub siłownik.
• sterowanie ciśnieniem, a więc najczęściej sterowanie rozwijanym
momentem obrotowym lub siłą.
• zabezpieczenie układu przed przeciążeniem technologicznym lub
bezwładnościowym.
• blokada położenia obciążonego silnika lub siłownika.
•

synchronizacja

ruchów

kilku

silników

obciążonych

w

zróżnicowany sposób i zasilanych z jednego źródła.

Elementy sterujące - ze względu na spełniane funkcje – można

podzielić na następujące grupy:

1. Elementy sterujące kierunkiem przepływu.

2. Elementy sterujące ciśnieniem.

3. Elementy sterujące natężeniem przepływu.

4. Elementy wielofunkcyjne.

5. Elementy sterujące kierunkiem i natężeniem przepływu.

ROZDZIELACZE

Zadaniem

rozdzielaczy

-

nazywanych

niekiedy

zaworami

rozdzielczymi - jest doprowadzenie i odprowadzenie cieczy z gałęzi
układu

hydrostatycznego,

sterowane

sygnałem

zewnętrznym.

Najczęściej rozdzielacz służy do połączenia silnika hydraulicznego
lub siłownika z pompą, i zbiornikiem, a więc do sterowania pracą
silnika lub siłownika.

Najbardziej

rozpowszechnione

są

rozdzielacze

suwakowe

sterowane

elektrycznie,

przy

czym

stosowane

w

nich

elektromagnesy klasyfikujemy w następujący sposób:

Ze względu na rodzaj prądu rozróżniamy

1. Elektromagnesy prądu stałego.
2. Elektromagnesy prądu zmiennego.
Ze względu na kontakt elektromagnesów z olejem rozróżniamy
1. Elektromagnesy suche.
2. Elektromagnesy mokre.

• piezoelektryczne & elektrostrykcyjne

• magnetostrykcyjne

• z pamięcią kształtu

(SMA - Shape Memory Alloy)

• elektroreologiczne

przy przyłożeniu pola elektrycznego niektóre ciecze wykazują zwiększenie lepkości

• magnetoreologiczne

przy przyłożeniu pola magnetycznego niektóre ciecze wykazują zwiększenie lepkości

•magnetyczne materiały adaptacyjne

Materiały inteligentne

Smart Material SM

Aktuatory nowego rodzaju

2013-05-28

16

Aktuatory

piezoelektryczne

wykorzystują

zjawisko

odkształcenia kryształu pod wpływem przyłożonego napięcia.
Wartość odkształcenia piezoelektrycznego zależy liniowo od
natężenia pola elektrycznego.

Materiały piezoelektryczne

-Kwarc–budowa

heksagonalna,

materiał

jednorodny,

anizotropowe właściwości mechaniczne i elektryczne, mała
higroskopijność. Tc=576st.C, stały efekt piezo do temp=200 st.C.

-Turmalin – kamień szlachetny, wysoka cena, wykorzystywany
w specjalistycznych aparaturach.

-Sól Rochelle – dobre własności piezo, mała odporność na
wilgoć,

konieczność

stosowania

smarów

i

lakierów

do

zabezpieczenia przez co zmniejsza się efekt

-fosforan amonu, siarczan litu oraz niobian litu ale ich
wykorzystanie w praktyce ogranicza się jedynie do zastosowań w
wyspecjalizowanych badaniach fizycznych

Materiały piezoelektryczne –ceramika piezoelektryczna

-tytanian baru BaTiO3 Powstaje przez spiekanie w temperaturze
140°C tlenków metali z grupy tytanowców –tytanu i cyrkonu z
tlenkami baru, ołowiu, litu + dodatki. Tc=120 st. C; tania w
otrzymaniu.

-PZT -spiek cyrkonianu ołowiu z tytanianem baru; najszerzej
stosowana, miękka i twardza, Tc=350 st.C, dużą dobrocią
mechaniczna Qm, wysokim oporem właściwym, wysoką i stabilną
przenikalność

dielektryczną,

wykorzystywana

w

wielu

urządzeniach technicznych.

Aktuatory

magnetostrykcyjne

wykorzystują

zjawisko

magnetostrykcji polegające na zmianie wymiarów materiału
ferromagnetycznego pod wpływem pola magnetycznego

2013-05-28

17

Aktuatory

wykorzystujące materiały z pamięcią kształtu

(SMA

- Shape Memory Alloy)

Materiały z pamięcią kształtu (gł. stopy metali) charakteryzują
się tym, że przedmioty z nich wykonane, o określonym kształcie
pierwotnym, odkształcone plastycznie, powracają do stanu
(kształtu) wyjściowego pod wpływem temperatury.

Najczęściej są stosowane stopy Ni-Ti oraz stopy na bazie miedzi
Cu-Al-Zn oraz Cu-Al-Ni.

Aktuatory elektroreologiczne

przy przyłożeniu pola elektrycznego niektóre ciecze wykazują
zwiększenie lepkości

Aktuatory magnetoreologiczne

przy przyłożeniu pola magnetycznego

niektóre

ciecze

wykazują zwiększenie lepkości

zastosowanie

sprzęgła przełączające, zawory, łożyska silników, tłumiki uderzeń

aktuatory ruchu:
-ruchu obrotowego (silniki elektryczne),
-przemieszczenia liniowego

W mechatronice stosowane s

ą

tzw. mikrosilniki elektryczne.

Wyst

ę

puj

ą

w trzech głównych odmianach:

• silniki pr

ą

du stałego,

• silniki skokowe,
• miniaturowe silniki pr

ą

du przemiennego.

Silniki pr

ą

du stałego mog

ą

by

ć

komutowane mechanicznie

(szczotkowo) lub elektronicznie.

Silniki pr

ą

du przemiennego mog

ą

by

ć

równie

ż

komutowane

szczotkowo. Cz

ęść

z nich nie posiada komutatora wykorzystuj

ą

c

wiruj

ą

ce pole magnetyczne.

Silniki skokowe z reguły komutowane s

ą

elektronicznie.

Budowa silnika BLDC jest odwróceniem budowy klasycznego silnika
prądu stałego z magnesami trwałymi, w którym uzwojony jest wirnik a
pole magnetyczne wzbudza magnes trwały w stojanie. Za przełączanie
pomiędzy fazami odpowiedzialny jest mechaniczny komutator. W silniku
BLDC uzwojony jest stojan, pole magnetyczne wymusza umieszczony
w wirniku magnes trwały. Komutator jest zastąpiony elektronicznym
przełącznikiem, którego stan jest określony funkcją położenia wirnika

BLDC

Ideowa budowa BLDC

2013-05-28

18

Rodzaje silników BLDC

1. Silniki z wirnikiem wewnętrznym

Silniki z wirnikiem wewnętrznym z pośród silników BLDC mają najbardziej
zbliżoną konstrukcję do silników indukcyjnych prądu zmiennego.

Zaleta - duża wartość stosunek momentu obrotowego do momentu

bezwładności.

Wada jest potrzeba bardzo dokładnego umocowania magnesów w
procesie produkcji. Trzeba zadbać by wirnik nie uległ uszkodzeniu
w wyniku działania dużej siły odśrodkowej. Wirnik często jest
owijany Kevlarową przędzą utrzymującą magnesy. Dotyczy to
głównie silników wysokoobrotowych.

2. Silniki z wirnikiem zewnętrznym

wykorzystują magnesy ferrytowe, w produkcji są najmniej kosztochłonne.
Stojan, podobnie jak wirnik, w silnikach komutatorowych prądu stałego,
jest wykonany z pakietów blach. Wirnik zbudowany jest z miękkiego żelaza i
kształtem przypomina kubek.

Przekrój

Wirnik
przypomina
kubek

Najbardziej znaną odmianą silników BLDC z wirnikiem
zewnętrznym, są wentylatory używane do chłodzenia, głównie
komponentów elektronicznych, takich jak procesory, płyty
główne itp.

3. Silnik bezżłobkowy

Stojan silników bezżłobkowych BLDC zbudowany jest z pakietowanych
blach o kształcie pierścienia (stojan kształtem przypomina pusty w środku
walec). Uzwojenie jest nawijane spiralnie dzięki czemu, ze względu na brak
żłobków, miejsca jest praktycznie dwa razy więcej. Takie rozwiązanie
pozwala zmniejszyć straty w miedzi. Niestety przez dużą szczelinę
powietrzną, redukcji ulega również gęstość strumienia magnetycznego co
powoduje zwiększenie poboru prądu i większą temperaturę. Brak
dodatkowych przewodników cieplnych, którymi w normalnych silnikach, są
żłobki wymusza potrzebę dodatkowego chłodzenia, najczęściej cieczą.

Silniki prądu stałego z magnesami trwałymi są zasilane prądem zmiennym o
przebiegu sinusoidalnym lub prostokątnym. Układ sterujący silnikiem w obu
przypadkach jest praktycznie taki sam, zmienia się tylko algorytm sterowania
poszczególnych tranzystorów.
Aby uzyskać sinusoidalny przebieg prądu stosuje się sterowanie szerokością
impulsów „PWM”.
Układ sterujący odpowiednio włącza i wyłącza źródło napięcia stałego, w zależności
od sygnału z regulatora prądowego, tak żeby przez uzwojenie płynął prąd o kształcie
przypominającym sinusoidę.
W przypadku sterowania przebiegiem prostokątnym, przepływ prądu sterowany jest
tranzystorem załączanym co 60 stopni elektrycznych. Napięcie na uzwojeniu
zmienia się skokowo

2013-05-28

19

MEMS



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

MEMS'y

- Mikro Elektro-Mechaniczne Systemy

zintegrowane urządzenia elektryczno-elektroniczno-mechaniczne, o
wielkości od kilku do kilkuset mikronów (mikrometrów mm) tzn.
rzędu średnicy ludzkiego włosa lub ziarnka piasku, mogące
przetwarzać różne wielkości mechaniczne (np. ciśnienia,
przyspieszenia)
na wielkości elektryczne (np. napięcia, natężenia prądu)

i odwrotnie.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikrosystemy w otoczeniu geometrycznym



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Przykłady aktualnych i przyszłych zastosowań MEMS'ów

Zastosowania cywilne

Inwazyjne i nieinwazyjne czujniki w biologii i medycynie

Miniaturowe przyrządy analityczne w biochemii

Sprzęt kardiologiczny

Urządzenia do wstrzykiwania leków (np. insuliny)

Sprzęt neurologiczny

Diagnostyka i sterowanie silników

Zautomatyzowane układy bezpieczeństwa, hamowania i zawieszenia w
samochodach

Elementy sieci światłowodowych

Pamięci komputerów

Przetwarzanie sygnałów elektromechanicznych

Urządzenia do monitorowania i diagnozowania konstrukcji

Układy sterowania stosowane w aerodynamice i hydrodynamice



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Przykłady aktualnych i przyszłych zastosowań MEMS'ów

Zastosowania wojskowe

Systemy nawigacyjne

Układy obserwacyjno-celownicze

Zapalniki

Układy rozpoznania swój-obcy

Noktowizory

Układy diagnostyczne

Układy sterowania i rozpoznania w miniaturowych samolotach bezzałogowych

Przetwarzanie sygnałów w urządzeniach łączności

Aktywne sterowanie kształtem powierzchni aerodynamicznych

2013-05-28

20

Półprzewodnikowe układy mechaniczne (MEMS) -

Skrót od ang. Micro-Electro-Mechanical Systems

Integracja w skali mikro:

•

elementów mechanicznych

•

sensorów

•

elementów wykonawczych

•

elementów elektronicznych na wspólnym np. krzemowym

podłożu

(dający

możliwość

realizacji

pełnego

układu

elektroniczno-mechanicznego)



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikrosystem krzemowo – szklany



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Schemat blokowy mikrosystemu

2013-05-28

21



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikromechanika powierzchniowa, zasada procesu



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Procesy

fotolitograficzne

pozwalają

na

nadawanie

obszarom

domieszkowanym, dielektrycznym i przewodzącym wymaganych
położeń, kształtów i wymiarów.

Wykorzystywana

jest

tu

wrażliwość

niektórych

związków

chemicznych na promieniowanie elektromagnetyczne.

Istnieją substancje, które pod wpływem tego promieniowania ulegają
utwardzeniu – tzw. emulsje fotolitograficzne (zwane też potocznie
fotorezystami) negatywowe.

Inne substancje z kolei pod wpływem promieniowania stają się łatwo
rozpuszczalne. Można ich użyć jako fotorezystów pozytywowych.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Zasada fotolitografii

a) Naświetlanie
fotorezystu
negatywowego przez
maskę:

b) Wytrawianie SiO

2

przez okno w fotorezyście
(po wywołaniu):

c) Wytrawione okno w SiO

2

:



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Metody odwzorowania kształtu w fotolitografii

2013-05-28

22



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Metoda LIGA

Technologia ta pozwala na „rzeźbienie” mikrostruktur za pomocą
intensywnej wiązki światła. LIGA jest dość kosztowna, ze względu
na konieczność wykorzystania synchrotronu.

Synchrotron

jest

akceleratorem

kołowym

cząstek

naładowanych,

z polem magnetycznym wzrastającym wraz z energią cząstek. Użycie synchrotronu
pozwala jednak na uzyskanie wysokiej precyzji tworzenia płaszczyzn struktury

przy jednoczesnej dużej powtarzalności kształtów poszczególnych elementów.

LIGA polega na wykorzystaniu trzech kolejno stosowanych
procesów – litograficznego przygotowania formy, galwanicznego
wypełnienia metalem w celu przygotowania trwałej formy, która
ostatecznie jest wykorzystywana do wielokrotnego wytwarzania
danej mikrostruktury



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

LIGA, zasada procesu

Li

tographie (litografia),

G

alvanoformung (galwanoformowanie),

A

bformung (formowanie) –

LIGA



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Do tworzenia mikromechanizmów krzemowych wykorzystuje się
następujące technologii:

• fotolitografia
• nakładanie cienkich warstw
• wytrawianie chemiczne
• wytrawianie plazmowe
• metoda LIGA i jej odmiany
• metody specjalistyczne będące kombinacją technik
podstawowych

Proces wytwarzania mikromechanizmów czy mikrosilników
obejmuje zazwyczaj kilka z powyższych technologii.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Typowy proces wytwarzania mikrosilnika krzemowego

Etap pierwszy
Następuje naniesienie na „grube” w stosunku do całości silnika
krzemowe (silikonowe) podłoże warstwy 1 µm dwutlenku krzemu i
warstwy 1 µm azotku krzemu. Powstała w ten sposób struktura ma za
zadanie zapewnić izolację elementów mikrosilnika od podłoża.

Etap drugi
Nałożenie warstwy polisilikonu o grubości 350 nm. Warstwa ta jest
domieszkowana i kształtowana za pomocą pionowego trawienia w
taki sposób aby utworzyła tarczę pod wirnikiem.

Etap trzeci
Następuje naniesienie warstwy dwutlenku krzemu o grubości 2,3 µm i
ukształtowanie z niej przez trawienie przestrzeni pomiędzy tarczą a
wirnikiem.

2013-05-28

23



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Etap czwarty
Utworzenie, przez trawienie głównej warstwy polisilikonu, kształtu
wirnika i biegunów stojana.

Etap piąty
Następuje formowanie przestrzeni pomiędzy wirnikiem a piastą, która
pełni rolę łożyska ślizgowego, na którym obraca się wirnik, przy
pomocy następnej warstwy dwutlenku krzemu o grubości 300 nm.

Etap szósty
Ukształtowanie piasty z warstwy polisilikonu o grubości 1 µm.

Etap siódmy
Następuje „uwolnienie” wirnika za pomocą trawienia anizotropowego
warstwy dwutlenku krzemu.

Typowy proces wytwarzania mikrosilnika krzemowego



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Schemat etapów wytwarzania mikrosilnika krzemowego

a) Nałożenie pierwszej warstwy:

b) Ukształtowanie stojana i wirnika:

Cały proces opiera się na wykorzystaniu warstw niskotemperaturowego tlenu (Low
Temperture Oxide – LTO), które są usuwane na końcu procesu.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Schemat etapów wytwarzania mikrosilnika krzemowego

c) Nałożenie drugiej warstwy izolacyjnej:

d) Kompletne urządzenie:



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikrosilniki – zasada działania

• Zasada działania mikrosilnika elektrostatycznego przypomina
zasadę działania silnika reluktancyjnego.

• Stojan nie posiada uzwojeń, lecz stanowi układ elektrod.

• Uzębiony wirnik nie jest podłączony do zasilania.

• W odpowiedni sposób należy zasilić kolejne elektrody stojana
aby mikrosilnik mógł wykonać serię skoków między swoimi
kolejnymi położeniami stabilnymi

Praca silnika jest możliwa tylko przy zastosowaniu odpowiedniego
elektronicznego układu zasilającego

2013-05-28

24



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Zasada ruchu mikrosilnika elektrostatycznego

• Silnik o dwunastu elektrodach stojana i ośmiu zębach wirnika.
• Elektrody stojana podzielone są na trzy sekcje po cztery elektrody na
każdą z sekcji.
• Każda z sekcji dołączona jest do jednej fazy układu zasilania



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikroaktuatory MEMS

Aktuatory elektrostatyczne

Palce napędu grzebieniowego

Giętka
podpora

Comb Drives

Aktuator grzebieniowy (a) położenie początkowe
(b) położenie po przesunięciu wywołanym siłą F

x

W momencie przyłożenia napięcia między palcami powstaje siła
przyciągająca, która powoduje poruszanie się palców względem
siebie. Palce tworzą elektrody kondensatora, w którym wzrost
pojemności jest proporcjonalny do liczby palców.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Widok z boku

wirnik

Izolowane elektrody

stojana

Widok z góry

Elektrody stojana

Mikrosilnik wirujący: a) widok z boku b) widok z
góry c) wirnik toczący się, widok z boku d) wirnik
toczący się, widok z góry

Wobble motors



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Aktuator magnetyczny

magnes

cewki

Aktuator piezoelektryczny

materiał piezoelektryczny

belka

mostek

2013-05-28

25



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Aktuator termiczny

metal

izolator

element grzejny

ogrzana ciecz

ogrzewający
prąd

Aktuator hydrauliczny

wyjście

wejście

Woda

www.dbanks.demon.co.uk



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Mikrosensory MEMS

Akcelerometr mikromechaniczny

Przykłady zastosowania akcelerometrów

- Pomiar przyspieszeń
- Pomiar parametrów ruchu postępowego i obrotowego
- Systemy alarmowe
- Pomiar trajektorii ruchu poruszających się obiektów
- W przemyśle samochodowym (poduszki powietrzne, systemy
antypoślizgowe ABS, systemy stabilizacji jazdy)
- Systemy nawigacji satelitarnej GPS
- Pomiary drgań maszyn przemysłowych
- Komputerowe urządzenia peryferyjne: mysz, joystick

2013-05-28

26



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Wybrane mikrosystemy

MEMS

• czujniki przyspieszenia
• czujniki ciśnienia
• tonometry
• czujniki promieniowania elektromagnetycznego i bolometry
• protezy zmysłów (ucho,oko)
• różne czujniki biomedyczne
• urządzenia dla chirurgii nieinwazyjnej

(kolonoskopy, endoskopy, narzędzia,

bioroboty)

• regeneratory nerwów, sondy neurologiczne
• mikrodializatory
• mikroskopy tunelujące i sił atomowych
• mikrosilniki elektryczne i elektromagnetyczne
• twarde dyski - nowe typy pamięci
• drukarki ink-jet, aktywne rozpylacze paliwa

• przepływomierze



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Wybrane mikrosystemy

MEOMS

•

lustra i zwierciadła, modulatory wiązek, przełączniki

• projektory
• struktury optyczne
• siatki dyfrakcyjne i maski fotolitograficzne
• Interferometry, mono-chromatory
• spektrofotometry
• czujniki ciśnienia, różne czujniki mikro-mechaniczne
• dynamiczne soczewki,
• detektory optyczne

µ

TAS, bio-chip, lab-on-chip

•

mikroreaktory, mieszalniki, filtry,

• dozowniki płynów, lekarstw
• chromatografy gazowe i cieczo-we
• czujniki bio, pH, analizatory bio, DNA
• analizatory
• mikropompy, zawory
• manipulatory komórkowe
• dozownik insuliny



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Zastosowania systemów Bio-MEMS

Mikrofiltr umożliwiający przepuszczanie
obiektów o określonych wymiarach.
Precyzyjne wykonanie w technologii MEMS
gwarantuje zmniejszenie wariancji
wielkości przepuszczanych obiektów.

Mikropompa sterowana
elektrostatycznie, wykonana
metodą łączenia warstw krzemu
poddanych procesowi
głębokiego trawienia. Jedna z
elektrod jest umieszczona na
membranie, która zasysa lub
wtłacza ciecz w zależności od
polaryzacji napięć dołączonych
do elektrod.



Dorota Stachowiak 2008

Nowe technologie w mechatronice

Zastosowania systemów Bio-MEMS

Mikrozawory umożliwiają sterowanie
przepływem substancji ciekłych lub
gazowych. Podgrzanie za pomocą
zintegrowanego rezystora niewielkiej porcji
cieczy obojętnej powoduje wystąpienie siły,
która przełącza zawór.

Zintegrowanie w jednym układzie
scalonym wielu mikropomp, mikrofiltrów,
dozowników i mikrozaworów stwarza
możliwość realizacji mikrolaboratorium
(µTAS) do przeprowadzania różnego typu
analiz chemicznych np. analizy DNA.