Mechatronika

Moduł 5: Komponenty
mechatroniczne

Podręczniki

(Koncepcja)

Wojciech Kwaśny Andrzej Błażejewski

Politechnika Wrocławska, Instytut
Technologii Maszyn i Automatyzacji,
Wrocław, Polska

Projekt UE Nr 2005-146319 „MINOS“, Realizacja od 2005 do 2007

Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji

Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji
przemysłowej.

Ten projekt został zrealizowany przy
wsparciu finansowym Komisji Europejskiej.
Projekt lub publikacja odzwierciedlają
jedynie stanowisko ich autora i Komisja
Europejska nie ponosi odpowiedzialności za
umieszczoną w nich
zawartość

www.minos-mechatronic.eu

Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS**
project.

- Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production

Processes, Germany

- np – neugebauer und partner OhG, Germany
- Henschke Consulting, Germany
- Corvinus University of Budapest, Hungary
- Wroclaw University of Technology, Poland
- IMH, Machine Tool Institute, Spain
- Brno University of Technology, Czech Republic
- CICmargune,

Spain

- University of Naples Federico II, Italy
- Unis a.s. company, Czech Republic
- Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
- Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
- Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
- Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
- Euroregionala IHK, Poland
- Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
- Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
- Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
- Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
- Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
- Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
- Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden

Zawartość Szkolenia

Minos:
moduły 1 – 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy
Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/
Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka

Minos **:
moduły 9 – 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla):
Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy

Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach:
Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki





W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z
Chemnitz University of Technology
Dr.-Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
phone: + 49(0)371 531-23500
fax: + 49(0)371 531-23509
e-mail: [e-mail]
www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch or www.minos-mechatronic.eu

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

3

Spis treści:

1

Czujniki indukcyjne........................................................................................................... 7

1.1 Informacje

podstawowe.................................................................................................... 7

1.2 Podstawy

teoretyczne

..................................................................................................... 8

1.2.1 Układ rezonansowy .......................................................................................................... 8
1.2.2 Układ elektroniczny ........................................................................................................ 10

1.3 Konstrukcja

podstawowa

............................................................................................... 11

1.3.1 Zasada

pracy.................................................................................................................. 11

1.3.2 Współczynniki korekcyjne .............................................................................................. 14
1.3.3 Sposób

zabudowy .......................................................................................................... 15

1.4. Czujniki

specjalne........................................................................................................... 17

1.4.1 Czujniki

indukcyjne

pierścieniowe .................................................................................. 17

1.4.2 Czujniki

pracujące w silnym polu elektromagnetycznym................................................ 18

1.4.3 Czujniki

pracujące w trudnych warunkach...................................................................... 19

1.5

Rozpoznawanie kierunku ruchu ..................................................................................... 20

1.6 Czujniki

NAMUR............................................................................................................. 21

1.7

Analogowe czujniki indukcyjne....................................................................................... 22

1.8 Zasilanie

prądem stałym ................................................................................................ 23

1.9 Zasilanie

prądem przemiennym (AC)............................................................................. 24

1.10 Zasady

łączenia czujników............................................................................................. 25

1.11

Zabezpieczenia i bezpieczeństwo czujników ................................................................. 27

1.12 Podłączanie czujników do sieci komunikacyjnych.......................................................... 28

1.13 Aplikacje ......................................................................................................................... 29



2

Czujniki pojemnościowe ................................................................................................. 29

2.1

Informacje podstawowe.................................................................................................. 29

2.2

Podstawy teoretyczne ................................................................................................... 30

2.3

Zasada działania czujnika pojemnościowego ................................................................ 32

2.4

Typy czujników pojemnościowych.................................................................................. 35

2.5

Materiał obiektu .............................................................................................................. 37

2.6

Kompensacja zakłóceń ................................................................................................. 39

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

4

2.7

Aplikacje.......................................................................................................................... 40

3

Czujniki ultradźwiekowe.................................................................................................. 42

3.1

Informacje podstawowe ................................................................................................. 43

3.2

Podstawy teoretyczne..................................................................................................... 44

3.2.1 Rozchodzenie się fal dźwiękowych w powietrzu............................................................. 43
3.2.2 Wpływ środowiska .......................................................................................................... 46
3.2.3 Przetworniki fali ultradźwiekowej .................................................................................... 47
3.2.4 Wytwarzanie fali ultradźwiękowej ................................................................................... 50

3.3

Zasada pracy czujnika ultradźwiekowego....................................................................... 54

3.3.1 Tryb dyfuzyjny................................................................................................................. 56
3.3.2 Tryb przelotowy............................................................................................................... 59

3.4

Zakłócenia pracy czujników ............................................................................................ 61

3.4.1 Czynniki fizyczne ............................................................................................................ 61
3.4.2 Czynniki montażowe ....................................................................................................... 61
3.4.3 Synchronizacja czujników ............................................................................................... 63

3.5

Specjalne czujniki ultradźwiękowe.................................................................................. 64

3.5.1 Czujnik refleksyjny .......................................................................................................... 64
3.5.2 Czujniki z dwoma przetwornikami w jednej obudowie .................................................... 67

3.6 Czujniki

z

wyjściem analogowym.................................................................................... 69

3.7

Aplikacje.......................................................................................................................... 71

4 Czujniki

fotoelektryczne .................................................................................................. 76

4.1 Charakterystyka

konstrukcji ............................................................................................ 76

4.2

Elementy fotoelektryczne................................................................................................ 78

4.2.1 Podstawy fizyczne .......................................................................................................... 78
4.2.1.1 Światło ............................................................................................................................ 80
4.2.1.2 Własności światła............................................................................................................ 80
4.2.2 Fotoemitery .................................................................................................................... 82
4.2.2.1 Diody elektroluminescencyjne (LED) .............................................................................. 83
4.2.2.2 Diody laserowe (LD) ....................................................................................................... 86
4.2.3 Fotodetektory .................................................................................................................. 88
4.2.3.1 Fotodiody ........................................................................................................................ 88
4.2.3.2 Fotodetektory liniowe PSD.............................................................................................. 91
4.2.3.3 Fotodetektory liniowe CCD .............................................................................................92
4.2.3.4 Fototranzystory ............................................................................................................... 93

4.3

Podstawowe rodzaje czujników ...................................................................................... 94

4.3.1 Czujnik przelotowy .......................................................................................................... 94
4.3.2 Czujniki refleksyjne ......................................................................................................... 96

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

5

4.3.3 Czujniki dyfuzyjne........................................................................................................... 99

4.4

Przetwarzanie sygnału ................................................................................................. 101

4.4.1 Źródła zakłóceń interferencyjnych................................................................................ 101
4.4.2 Zapobieganie interferencji ............................................................................................ 103
4.4.2.1 Modulacja światła ......................................................................................................... 103
4.4.2.2 Polaryzacja światła ...................................................................................................... 104
4.4.3 Margines działania ...................................................................................................... 106
4.4.4 Odległość robocza........................................................................................................ 109
4.4.5 Czas reakcji.................................................................................................................. 111

4.5

Specjalne rodzaje czujników ........................................................................................ 112

4.5.1 Czujniki refleksyjne z polaryzacją światła .................................................................... 112
4.5.2 Czujniki dyfuzyjne z eliminacja wpływu tła i pierwszego planu .................................... 113
4.5.3 Czujniki refleksyjne z autokolimacją............................................................................. 117
4.5.4 Czujniki ze światłowodami............................................................................................ 118
4.5.4.1 Światłowody ................................................................................................................. 118
4.5.4.2 Zasada działania .......................................................................................................... 121

4.6

Technika połączeń ....................................................................................................... 123

4.6.1 Typy połączeń .............................................................................................................. 123
4.6.2 Przełączanie wyjścia czujnika ...................................................................................... 124

4.7

Aplikacje ....................................................................................................................... 127

5

Czujniki magnetyczne .................................................................................................. 128

5.1

Informacje podstawowe................................................................................................ 129

5.2

Podstawy teoretyczne .................................................................................................. 130

5.2.1 Pole

magnetyczne........................................................................................................ 129

5.2.2 Kontaktron .................................................................................................................... 132
5.2.3 Efekt

Halla .................................................................................................................... 134

5.2.4 Efekt magnetorezystancyjny ........................................................................................ 135
5.2.5 Efekt Wieganda ............................................................................................................ 136

5.3

Czujniki magnetyczne z kontaktronem ........................................................................ 137

5.4

Czujniki magnetyczne z hallotronem............................................................................ 140

5.5.

Czujniki magnetyczne specjalne .................................................................................. 141

5.5.1 Czujniki magnetorezystancyjne.................................................................................... 141
5.5.2 Czujniki magnetyczne Wieganda ................................................................................. 142
5.5.3 Czujniki magnetyczne z magnesem ............................................................................. 144

5.6

Warunki zabudowy ....................................................................................................... 145

5.7

Aplikacje ....................................................................................................................... 147

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

1

Czujniki indukcyjne

1.1

Informacje podstawowe

Czujniki indukcyjne stanowią najpopularniejszą grupę czujników sto-
sowanych w układach automatyki. Wykorzystywane są one do kontroli
położenia, przemieszczeń i ruchu mechanizmów związanych ze ste-
rowanymi urządzeniami. Ich prosta i zwarta konstrukcja, duża pew-
ność i niezawodność działania oraz łatwy montaż sprawia, że są chęt-
nie stosowane.

Czujniki te reagują, na pojawienie się przedmiotów metalowych w stre-
fie ich działania, przełączeniem stanu wyjścia czujnika lub zmianą war-
tości sygnału wyjściowego.

Podstawowymi składnikami czujnika indukcyjnego są (rys.1.1): głowica
zawierająca cewkę indukcyjną z rdzeniem ferrytowym, generator na-
pięcia sinusoidalnego, układ detekcji (komparator) i wzmacniacz wyj-
ściowy.

Obwód indukcyjny składający się z cewki i rdzenia ferrytowego wytwa-
rza wokół czoła czujnika zmienne pole elektromagnetyczne o wysokiej
częstotliwości. Pole to indukuje prądy wirowe w metalu zbliżanym do
czujnika, co z kolei powoduje obciążenie obwodu indukcyjnego i w
efekcie spadek amplitudy oscylacji. Wielkość tych zmian zależy od od-
ległości przedmiotu metalowego od czoła czujnika. Przełączenie wyj-
ścia następuje po zbliżeniu metalu na określoną odległość, wynikającą
z charakterystyki czujnika. W czujnikach z wyjściem analogowym po-
ziom sygnału wyjściowego jest odwrotnie proporcjonalny do odległości
obiektu od czujnika.

UKŁAD

WYJŚCIOWY

UKŁAD

DETEKCJI

UKŁAD

GENERATORA

GŁOWICA

CZUJNIKA

OBIEKT

L

C

Rys. 1.1:

Budowa czujnika indukcyjnego

6

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

1.2

Podstawy teoretyczne

1.2.1

Układ rezonansowy

Źródłem zmiennego pola magnetycznego w czujnikach indukcyjnych
jest cewka indukcyjna. Jeżeli prąd przepływający przez cewkę zmienia
się w czasie, to strumień magnetyczny w cewce też jest zmienny.
Zmianom tym towarzyszy zawsze zjawisko samoindukcji tzn. powsta-
wanie dodatkowego napięcia w zwojach cewki, przeciwdziałającego
zmianom prądu.

W elektrycznych układach rezonansowych całkowita energia jest
zgromadzona w postaci energii pola magnetycznego E

L

cewki induk-

cyjnej i energii pola elektrycznego naładowanego kondensatora E

c

. W

każdej chwili suma tych energii jest taka sama

tzn. E = E

L

+

E

c

= const. (rys. 1.2).

W początkowej fazie obwód LC, składający się z cewki L i kondensato-
ra C jest otwarty, a cała energia zmagazynowana jest na okładkach
naładowanego kondensatora (1). Po zamknięciu obwodu kondensator
zaczyna się rozładowywać i w obwodzie rozpocznie płynąć prąd I
zmieniając swoją wartość od zera do I

max

. Cała energia kondensatora

zostanie zmagazynowana w cewce (2).

Pomimo, że kondensator jest już całkowicie rozładowany prąd dalej
płynie w obwodzie, w tym samym kierunku. Jego źródłem jest zjawisko
samoindukcji w cewce, które podtrzymuje słabnący prąd. Ten prąd ła-
duje kondensator, więc energia jest ponownie przekazywana do kon-
densatora. Gdy ładunek na kondensatorze osiąga maksimum prąd w
obwodzie całkowicie zanika (3). Stan końcowy jest więc taki jak po-
czątkowy tylko kondensator jest naładowany odwrotnie i prąd w obwo-
dzie popłynie w przeciwnym kierunku. W obwodzie LC występują za-
tem oscylacje pola elektrycznego w kondensatorze i oscylacje pola
magnetycznego w cewce.

E =0

C

E =E

L

+

-

E -

C

E -

L

+

+

-

-

E =E

C

E =0

L

+

-

+

-

E =E

C

E =0

L

I

+

-

E -

C

E -

L

I

I

t

L

C

L

C

L

C

L

C

L

C

Rys. 1.2:

Oscylacje w obwodzie LC

7

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

W rzeczywistych obwodach LC występują zawsze dodatkowe straty
energii, związane z własną rezystancją cewki i kondensatora. Z powo-
du tych strat oscylacje obwodu z rezystancją RLC będą tłumione (za-
nikające) (rys. 1.3). Oscylacje obwodu można podtrzymać, zasilając go
z zewnętrznego źródła napięciem sinusoidalnym. Maksymalna ampli-
tuda oscylacji wystąpi, gdy częstotliwość źródła podtrzymującego bę-
dzie równa częstotliwości własnej nietłumionego obwodu LC.

LC

f

f

π

2

1

0

=

=

[Hz],

gdzie:

f

– częstotliwość zewnętrznego źródła sinusoidalnego,

f

0

- częstotliwość własna nietłumionego obwodu LC,

L – indukcyjność [Henr],
C – pojemność [Farad].

Jest to warunkiem wystąpienia rezonansu napięć lub prądów w obwo-
dzie. Maksimum amplitudy oscylacji w obwodzie jest tym wyższe im
większa jest wartość współczynnika dobroci obwodu.

Współczynnik dobroci Q jest miarą strat powstających w elementach L
i C, reprezentowanych przez rezystancję równoległą R. Bezstratny
obwód miałby w warunkach rezonansu, nieskończenie dużą rezystan-
cję równoległą R. Im większe są straty w obwodzie tym rezystancja
równoległa jest mniejsza, a tym samym współczynnik dobroci też jest
mniejszy.

fL

R

Q

π

2

=

a)

b)

c)

L

C

R

L

C

R

G

RLC

RLC

L

C

LC

Rys. 1.3:

Oscylacje obwodów LC i RLC: a) obwód LC nietłumiony, b)obwód RLC bez źródła
zewnętrznego, c) obwód RLC zasilany sinusoidalnym źródłem zewnętrznym

8

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

1.2.2

Układ elektroniczny

W generatorach zawierających układ rezonansowy, składający się z
cewki i kondensatora, dla podtrzymania oscylacji stosuje się wzmac-
niacze operacyjne lub tranzystory.

Dla wystąpienia oscylacji wymagane jest spełnienie niezależnie dwóch
warunków: fazy i amplitudy. Warunek fazy wymaga, aby napięcie wyj-
ściowe było w fazie z napięciem wejściowym. Warunek amplitudy wy-
maga, aby wzmacniacz całkowicie kompensował tłumienie wprowa-
dzane przez obwód rezonansowy. W takim przypadku generator sam
dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący oscylacje. Spełnienie wa-
runku fazy i amplitudy osiąga się przez odpowiedni podział obwodu LC
lub poprzez sprzężenie transformatorowe.

Oscylacje napięcia i prądu wytwarzane są w układzie rezonansowym
LC zawierającym cewkę i kondensator. Prąd doprowadzany do obwo-
du LC przekazuje mu część swej energii - doładowując kondensator, a
tym samym podtrzymując wzbudzane w tym obwodzie oscylacje. Po
ustaleniu się równowagi energii dostarczanej i traconej, amplituda prą-
du płynącego w obwodzie LC nie zmienia się i jego drgania stają się
niegasnącymi. Przykład takiego układu generatora LC przedstawia
Rys. 1.4a.

Poziom sygnału wyjściowego zależy od współczynnika dobroci Q
układu rezonansowego. Mała dobroć istotnie zmniejsza sygnał wyj-
ściowy z układu elektronicznego (rys. 1.4.b). Generatory LC są stoso-
wane do generowania przebiegów o częstości większej od kilkudzie-
sięciu kiloherców. Przy mniejszych częstotliwościach wymagana jest
zbyt duża wartość indukcyjności L obwodu rezonansowego. Trudno
wówczas uzyskać dużą dobroć obwodu, a cewki osiągają duże wymia-
ry.

a)

b)

U

D

ω

ω

0

Q=10

Q=1

1

2

3

+U

U

D

C

1

C

2

L

Rys. 1.4:

Układ elektroniczny: a)generator LC ze wzmacniaczem kompensującym tłumienie
w obwodzie, b) poziom sygnału wyjściowego dla różnych wartości Q

9

Komponenty mechatroniczne - Podręcznik

Minos

1.3

Konstrukcja podstawowa

1.3.1

Zasada pracy

Część aktywna czujnika indukcyjnego zawiera cewkę nawiniętą na fer-
rytowym rdzeniu kubkowym, wytwarzającą zmienne pole magnetycz-
ne. Zadaniem rdzenia kubkowego, o otwartym obwodzie magnetycz-
nym, jest wzmocnienie strumienia magnetycznego cewki oraz skiero-
wanie go w kierunku strefy pomiarowej czujnika.

Zmianom pola magnetycznego towarzyszy zawsze powstanie pola
elektrycznego (wirowego), gdy w tym zmiennym polu znajdzie się
przewodnik. Wokół linii pola elektrycznego pojawi się pole magnetycz-
ne wirowe (rys. 1.5). Przeciwdziała ono polu magnetycznemu cewki,
odbierając część energii z obwodu rezonansowego.

Jest to równoznaczne ze zmianą strat w obwodzie rezonansowym, co
powoduje pogorszenie jego dobroci. Skutkuje to

tłumieniem amplitudy

oscylacji. Tłumienie amplitudy utrzymuje się przez cały czas przeby-
wania obiektu przewodzącego w strefie działania pola magnetycznego
cewki. Po usunięciu przedmiotu tłumienie obwodu rezonansowego za-
nika i amplituda oscylacji powraca do wartości początkowej.

Amplituda

Czas

Amplituda

Czas

Pole magnetyczne

prądów wirowych

Obiekt

przewodzący

Pole

magnetyczne

cewki

Rdzeń

ferromagnetyczny

Uzwojenia

cewki

Rys. 1.5:

Obiekt metalowy w polu magnetycznym cewki z rdzeniem ferrytowym

Układ elektroniczny czujnika określa odległość przedmiotu od cewki,
na podstawie stopnia tłumienia amplitudy i generuje sygnał wyjściowy.
Najczęściej jest to sygnał dwustanowy: obiekt jest w zasięgu czujnika

10