Aktory - znajdują się miedzy urządzeniem sterującym, a systemem lub procesem. Wielkością wejściowa aktora jest energia lub moc, jest ona przygotowana w nastawniku energii przez energie pomocniczą, następnie następuje właściwy przetwornik energii.

Aktory elektromagnetyczne.

Przetworniki elektrodynamiczne.

Przetwornik liniowy - wszystkie opierają się na działaniu siły Lorenza. Występuje ona wtedy gdy układ przewodów z przepływającym prądem znajduje się w polu magnetycznym, a prąd i pole magnetyczne nie mogą wykonywać ruchów względem siebie. Koncepcja maszyny elementarnej znajduje bezpośrednie zastosowanie jako głośnik dynamiczny, czy napęd liniowy. Zamiast pętli przewodnika jest jednak poruszana cewka z n zwojami w polu magnetycznym.

Przetwornik obrotowy - składają się z cylindrycznego stojana (który jest magnesem stałym), w którego otworze znajduje się wirnik oddzielony przez szczelinę powietrzna. Dodatkowo jest również komutator (składa się on ze szczotek węglowych), który zmienia kierunek prądu , składa się on z szczotek które ślizgają się po okrąglej części prowadnicy przewodnika.

Oprócz powyższego silnika prądu stałego z polem wzbudzanym magnesami trwałymi używane są silniki z polem wzbudzanym elektrycznie. Przez uzwojenie w stojanie płynie prąd I, wytwarza on pole magnetyczne o strumieniu magnetycznym przenikającym przez szczelinę powietrza wirnik. Równocześnie przez wirnik przepływa prąd Ia, który dzięki sile Lorenza wywołuje moment obrotowy silnika. Regulacja obrotów jest możliwa przez: regulacje pola, oporności, regulacja napięcia.

Silniki prądu stałego - należą do nich silniki z polem wzbudzonym magnesami trwałymi oraz z polem wzbudzonym elektrycznie. W zależności od połączenia uzwojenia stojana rozróżnia się silniki szeregowe i bocznikowe. Silniki te posiadają 3 możliwości regulacji obrotów: 1) regulacja pola, 2) regulacja oporności, 3) regulacja napięcia.

Silniki z polem wirującym - do maszyn z polem wirującym należą silniki synchroniczne i asynchroniczne. W obu silnikach stojan zawiera jedno lub kilka uzwojeń prądu stałego lub przemiennego. Silnik synchroniczny rozwija moment obrotowy przy określonej liczbie obrotów, dlatego nie może samodzielnie ruszyć z miejsca. Musi być uruchamiany przez pomocniczy silnik rozruchowy lub uzwojenie asynchroniczne i dopiero potem obraca się ze stałą prędkością synchroniczną. Silnik asynchroniczny jest zbudowany podobnie jak silnik synchroniczny. Stojan w skutek pobierania prądu zmiennego lub 3fazowego wytwarza obrotowe pole magnetyczne. Jeżeli w tym polu znajduje się wirnik z prętami przewodnika to w prętach tych indukuje się napięcie. Wirnik może być budowy klatkowej lub z pierścieniami ślizgowymi. Bezstopniowa zmiana liczby obrotów jest możliwa przez ciągłe zmienianie częstotliwości napięcia stojana. Silniki te posiadają 3 możliwości regulacji obrotów: 1) przełączanie liczby biegunów, 2) regulacja częstotliwościowa, 3)regulacja poślizgowa.

Przetworniki elektoromagnetyczne.

Przetworniki liniowe - wszystkie przetworniki elektromagnetyczne opierają się na działaniu siły reluktancji (oporności magnetycznej - jest ona analna do oporności w obwodzie prądu). Działa ona na ciało, które przez swoje właściwości materiałowe zmienia pole magnetyczne.

Przetwornik obrotowy - rotacyjne przetworniki elektromagnetyczne można podobnie jak elektrodynamiczne. W przetwornikach tym zmienia się oporność magnetyczna wirnika odpowiednio do liczby biegunów na obwodzie stojana, którego uzwojenia wytwarzają pole magnetyczne. Wirnik próbuje się tak ustawić żeby pole magnetyczne ciągle przepływało po drodze o najmniejszym oporze.

Silniki krokowe - ze zmienną reluktancją są zbudowane jak wyżej opisane przetworniki obrotowe. Wysterowanie następuje jednak elektronicznie przez impulsowe sygnały prądowe. Przy każdym impulsie prądu wykonany jest dokładnie zdefiniowany krok kątowy (15stopni). Tym sposobem można łatwo dokonać pozycjonowania.

Silniki reluktancyjne - uzwojenie e nich jest zbudowane jako uzwojenie z polem wirującym. Jest to silnik synchroniczny. Aby umożliwić rozruch większych silników, wbudowane są zwarte na krótko pręty przewodnika, jak w asynchronicznym silniku klatkowym.

Aktory płynowe - przez pojecie aktorów płynowych rozumie się hydrauliczne i pneumatyczne urządzenia nastawcze, które do wykonania pracy wykorzystują ciekle lub gazowe nośniki energii. Aktory płynowe często maja przewagę nad aktorami elektrycznymi, przede wszystkim jako przetworniki liniowe. Powodem jest prosta budowa i duża gęstość mocy (stosunek mocy do wagi aktora).

Aktory pneumatyczne ze względu na trudność pozycjonowania są rzadko stosowane w mechatronice, często służą one jedynie jako dwupunktowe napędy nastawcze. Siłowniki hydrauliczne stosuje się do uzyskania liniowych przemieszczeń. Jego siłę wylicza się z ciśnienia roboczego oraz powierzchni czynnej tłoka.

Siłownik nurnikowy (sil jednostronnego działania) na nurnik działa jednostronne ciśnienie wysuwając go, powrót następuje w skutek działania sił zewnętrznych lub pod wpływem własnego ciężaru. Mamy także siłowniki dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem lub dwustronnym. Do siłowników specjalnych należą teleskopowe, stosuje sie je w ograniczonych przestrzeniach ich wada jest coraz szybszy ruch podczas wysuwania.

Przy pomocy serwosiłownika można osiągnąć wysoka dokładność pozycjonowania, jest on sterowany elektrohydraulicznym serworozdzielaczem.

Siłowniki o ruchu wahadłowym stosuje się do wytwarzania ruchów obrotowych, są to urządzenia o małych wymiarach przenoszące duże momenty.

Aktory nowego rodzaju. Przetworniki piezoelektryczne - wykorzystują efekt piezoelektryczny odwrotny (zmiana wymiarów materiału poprzez umieszczenie w polu elektrycznym). Materiały są opisywane za pomocą właściwości sprężystych, piezoelektrycznych, dielektrycznych. W aktorach piezoelektrycznych rozróżnia się dwa efekty - dominujący efekt podłużny (longitudalny), kierunek działania jest także kierunkiem polaryzacji oraz efekt poprzeczny (transwersalny) kierunek polaryzacji prostopadły do osi polaryzacji. Konstrukcje aktorów piezoelektrycznych: k. stosowa - wykorzystuje efekt podłużny, składa się z cienkich tarcz piezoceramicznych z metalowymi elektrodami pomiędzy nimi, k. pasmowa - efekt poprzeczny, k. bimorficzne - materiał nośny i piezoelektryczny lub dwa piezo, których wydłużenia mają przeciwstawne znaki. k. hybrydowe - wykorzystują dodatkowo mechaniczne przełożenie dźwigniowe. Aktory piezoelektryczne cechują się (+) krótkimi czasami reakcji, dużymi siłami nastawczymi, brakiem zużycia, (-) małe drogi nastawcze, wysokie napięcie wejściowe i niewielka moc wyjściowa.

Sensory.

Przebieg sygnału w sensorze: 1) Przekształcenie wielkości zmierzonej w jedna lub wiele wielkości pośrednich. 2)Przekształcenie wielkości wyjściowej w pierwotna wielkość elektryczna za pomocą elementu przetwornikowego (np. zmienianie oporu przez tensometr siły) 3) Obróbka elektroniczna przez elektronikę opracowującą (np. wzmacniacz sygnału) 4) Przetworzenie sygnału analogowego na cyfrowy przez przetwornik ADC 5)

Wymagania stawiane sensora: 1) Jednoznaczne i odtwarzalne odwzorowanie wielkości wejściową w wyjściową. 2) wielkość wyjściowa musi zależeć tylko od wielkości wejściowej, a nie od innych 3) system musi wykazywać pomijalnie małe oddziaływanie zwrotne na wielkość mierzoną.

Parametry sensorów 1) zakres pomiaru - zakres wartości wejściowych które mogą być odwzorowane na dopuszczalnym zakresie wartości wyjściowych 2) Rozdzielczość - daje informacje o tym jak blisko od siebie mogą leżeć dwie wartości pomiarowe, aby sygnal wyjściowy mógł być odebrany jako dwie oddzielne wartości pomiarowe 3)dokładność pomiaru.

Błędy statyczne systemów pomiarowych: 1)Błąd punktu zerowego - w skutek zewnętrznych lub wewnętrznych przyczyn następuje równolegle przesuniecie charakterystyki. Przyczyny zewnętrzne to najczęściej temperatura natomiast wewnętrzne związane są z technologia czujników 2)Błąd nachylenia - zmiana nachylenia charakterystyki, przyczyna może być także wpływ temperatury. 3) błąd liniowości - charakter nie ma liniowego przebiegu lecz mieści się w granicy tolerancji 4) błąd histerezy.

Pomiary drogi i kata.

Metody potencjometryczne - polegają na odwzorowaniu przemierzonej drogi na zmianę oporności, w tym celu obiekt łączony jest bezpośrednio ze ślizgiem potencjometru. Wyróżniamy potencjometry drutowe ( bieżnia oporowa składa się wyłącznie z ze zwojów drutu) potencjometry z przewodzącym tworzywem sztucznym (bieżnia z tego tworzywa, sprasowanego na gorąco) hybrydowe (łączą zalety obydwu wyżej przedstawionych ).

Metody indukcyjne - wykorzystuje się w nich oddziaływanie na indukcje magnetyczna w cewce przez ruch ciała ferromagnetycznego w jej polu magnetycznym. Układy transformatorowe wykorzystują zmianę indukcyjności wzajemnej miedzy cewkami, najczęściej stosowane są układy zanurzeniowe z transformatorem różnicowym (LVDT). Sensory pola magnetycznego - wykorzystują odchylenie ładunków poruszających się w polu magnetycznym (siła Lorenza). Jeżeli prze cienka płytkę półprzewodnikową przesyła się prąd sterujący to tory prądu są odchylane przez składową pola magnetycznego. Wykorzystane są do mierzenia dwa zjawiska - skręcenie linii ekwipotencjalnych o kat Halla, na poprzecznych stronach płytki powstaje różnica potencjałów (prąd Halla). Przez odchylenie nośnika ładunku wydłuża się tor jego prądu w półprzewodniku co prowadzi do pozornej zmiany oporności.

Pojemnościowe metody - podobne z budowy, obszaru zastosowań oraz opracowanie sygnału do indukcyjnych, jednak jako efekt pomiarowy wykorzystane jest zmiana pojemności kondensatora. Do tego celu mogą być wykorzystane zmiany powierzchni płyty, odległości i przenikalności elektrycznych. Są nieczule na zmiany temperatury.

Ultradziwiękowe - polegają na pomiarze czasu przebiegu impulsu ultradźwiękowego, jako przetworniki ultradźwiękowe stosuje się elementy piezoelektryczne które po przyłożeniu napięcia odkształcają się. Przez krótkotrwale pobudzenie drganiami wysokiej częstotliwości powstaje impuls nadawczy, który odbija się od obiektu pomiarowego. Prędkość rozprzestrzeniania się fali zależy od temperatury, wilgotności powietrza oraz ciśnienia. Wybór częstotliwości: wysokie częstotliwości pozwalają na wyższą rozdzielczość wskutek szybciej przebiegających procesów narastania drgań, ze wzrostem częstotliwości rośnie jednak pochłanianie dźwięku w skutek tarcia wewnętrznego w ośrodku, w którym rozprzestrzenia się dźwięk. Dlatego uprzywilejowane są niskie częstotliwości. Własności materiałowe i geometria reflektora: Część fali padającej na przedmiot zostaje przez niego pochłonięta, część zaś odbita. W materiałach o niewielkiej gęstości tylko cześć energii jest odbijana, dlatego są trudne do wykrycia.

Magnetostrykcyjne czujniki drogi: magnetostrykcja - odkształcanie się specjalnych miękkich magnetycznie materiałów pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Budowa i działanie: przewód falowy - rura z materiału magnetostrykcyjnego z przewodnikiem wewnątrz (drut miedziany). Impuls przechodzący przez drut wywołuje w przewodzie falowym pole magnetyczne. W miejscu mierzonej drogi jest pierścieniowy magnes stały (linie pola prostopadłe do przewodu falowego). Fale nakładają się, i wraz efekt magnetostrykcji wywołuje to falę skrętna rozchodzącą się wzdłuż przewodu falowego. Na jednym końcu znajduje się np. przetwornik piezoelektryczny rejestrujący falę skrętną, na drugim fala jest tłumiona. Czas od przyłożenia impulsu do zarejestrowania fali jest dokładnie proporcjonalny do odległości między magnesem stałym a końcem pręta. Takie sensory mogą być stosowane w ekstremalnych warunkach.

Nadajniki wartości absolutnej (resolwery) - resolwery optyczne. w najprostszej postaci szklana tarcza z kilkoma współosiowo umieszczonymi ścieżkami jasnymi/ciemnymi, które powodują kąt obrotu. Odczyt ścieżek następuje przez bramki świetlne. Ilość (n) ścieżek określa rozdzielczość resolwera, może być maksymalnie 2ⁿ stanów. Zakres pomiarowy, rozdzielczość i pkt. zerowy ustalane są mechanicznie (przekładnia lub wrzeciono), zakres można rozszerzyć poprzez połączenie kilku tarcz przekładnią precyzyjną o przełożeniu równemu rozdzielczości pojedynczej tarczy. resolwery indukcyjne. służą do określenia kąta obrotu między stojanem a wirnikiem, analizują położenie fazowe między polem wzbudzenia (stojana), a polami indukowanymi (wirnika). Dodatkowa elektronika dokonuję interpolacji kąta fazowego.

Inkrementalne metody pomiarowe drogi - rejestrują one odłożona drogę lub kat miedzy między systemem pomiarowym i obiektem pomiarowym a pomiar sprowadza się do zliczania zdarzeń (impulsów). Przykład enkoder optyczny składa się z szklanej tarczy z równo oddalonymi jasnymi/ciemnymi przejściami. Impuls odczytuje się za pomocą siatki fotoodbiornikow, stany Low/High. Droga lub kat odpowiada jednemu impulsowi. Parametr liczba impulsów na obrót, zakres pomiarowy teoretycznie nieograniczony.

Systemy pomiaru prędkości - do pomiaru prędkości liniowych czy kątowych dają się zastosować metody pomiaru drogi, jeśli zarejestrujemy ich zmianę czasowa, wtedy v=ds/dt - numeryczne różniczkowanie. Prawdziwe sensory prędkości wykorzystują zależność fizyczna pomiędzy wielkością wyjściową, a pochodna wielk. pomiar. po czasie > prawo indukcji U=dφ/dt np. strumień w prądniczce, napniecie proporcjonalne do prędkości, jeżeli wal obraca się z prędkością kątowa w to U=kw k-stala. Pomiaru prędkości dokonuje się także optyczne sensory pomiaru korelacji, porównanie dwóch obrazów w odstępie czasu, zjawisko Dopplera, np. kamera CCD robi dwa zdjęcia w odstępie czasu, przez analizę przesunięcia określamy jego wielkość i prędkość obliczamy ze znanego czasu odstępu zdjęć.

Systemy pomiaru przyspieszenia.

Piezoelektryczne sensory przyspieszenia.

Zasada większości sensorów przyspieszenia opiera się na przekształceniu wielkości pomiarowej „przyspieszenia” w wielkość pośrednią - odkształcenie lub zmiana drogi - i jej pomiar.

Ważna grupa sensorów przyspieszenia wykorzystuje efekt piezoelektryczny. Kryształy z neutralną na zewnątrz strukturą dipolową w stanie nieobciążonym odkształcają się pod obciążeniem. Powoduje to powstanie różnicy ładunków na zewnętrznych powierzchniach kryształów.

Po odkształceniu kryształu nie powstają żadne dalsze wolne elektrony, które przez zewnętrzną oporność prowadzą do przepływu prądu. Z tego powodu element piezoelektryczny jest bardzo wielko oporowym źródłem napięcia, które także musi być zarejestrowane w odpowiedni wielko oporowy sposób. Do analizy używa się wiec tak zwanego układu ze wzmacniaczem ładunku.

Mikromechaniczne sensory przyspieszenia

Sensory przyspieszenia dają się wytwarzać bardzo korzystnie pod względem ceny w mikromechanicznych technologiach krzemowych. Układ sprężyna-masa jest wytrawiany z krzemu. Do rejestracji odkształcenia istnieją dwa zasadnicze sposoby:

• Użycie tensometrów piezo oporowych

• Stworzenie układu kondensatorów

Szerokie zastosowanie czujniki te znajdą jako sensory „wypadkowe” (Cash sensors) w pojazdach. Sensory te uruchamiają system poduszki powietrznej przy 35g ( zderzenie czołowe) lub 100g (zderzenie boczne ).Oprócz tego istnieją systemy, które w jednej jednostce konstrukcyjnej realizują pomiar dwóch lub trzech składowych przyspieszenia (tak zwane czujniki dwuosiowe lub trzyosiowe).

Jednoosiowy pomiar siły i momentu.

Tensometryczne czujniki siły i momentu. W praktyce mierzenia odkształceń najczęściej stosuje się tensometry. Są one przyklejane na aktywne odkształceniowo strefy odkształcenia. Działanie tensometrów opiera się na zjawisku fizycznym polegającym na zmianie oporności R podczas zmiany swej długości.

Przewodnik z materiału o dużej oporności właściwej i niewielkim współczynnikach temperaturowych jest nanoszony meandrami (dzięki temu długość przewodnika podczas odkształcenia jest kilka razy większa niż wydłużenie nośnika) na nośnik foliowy a całość przyklejana klejem do ciała. Tensometry da się także wytwarzać z półprzewodników (pojedynczy kryształ krzemu). Ma on wysoką czułość jednak jest także podatny na współczynniki temperaturowe, i trudno go przymocować do ciała. Analiza zmiany oporności tensometru odbywa się za pomocą mostka Wheatstone'a.

Tensometr na folii.

Optyczne metody pomiaru siły. Przykładem tej metody jest fotodioda czuła na pozycje. Jej działanie opiera się na zjawisku fotoelektrycznym. Jeżeli fotony napotkają odpowiedni materiał który w swej powłoce atomowej zawiera elektrony o malej energii wiązania, to są one „wybijane” przez fotony. Dochodzi do przepływu strumienia elektrycznego, który jest proporcjonalny do strumienia światła. Istnieją dwie możliwości pomiaru: 1.Ustawia się dwie (lub więcej) diody ciasno koło siebie i kieruje na wspólna plamkę- jeżeli pozycja plamki zmieni się to zmieniają się prądy cząstkowe. 2. Wykorzystuje się poprzeczne zjawisko fotoelektryczne. Na obu końcach paska z materiału czułego na światło tworzy się styki elektryczne. Jeżeli plamka światła pada na ten materiał to powstają dwa prądy cząstkowe, których różnica jest proporcjonalna do odległości plamki od styków.

Fotodioda różnicowa.

Piezoelektryczne sensory siły i momentu - wykorzystują efekt piezoelektryczny. Kryształy z zewnętrzną neutralną strukturą dipolową w stanie nieobciążonym odkształcają się pod obciążeniem. Górna częstotliwość leży w obszarze kilku kiloherców. Mają duży moduł sprężystości, nadają się do zastosowań gdzie sensor nie powinien dawać zmian drogi w kierunku strumienia siły. Materiały organiczne mogą także wykazywać efekt piezoelektryczny.

Magnetosprężyste sensory siły - wykorzystuje efekt magnetosprężysty(efekt Villary'ego). W materiałach miękkich magnetycznie(blachy transformatorowe) zmienia przebieg linii strumienia magnetycznego, gdy materiał poddawany jest działaniu siły. Jest odwróceniem efekty magnetostrykcyjnego. Zastosowanie znajduje w presduktorze(przetworniku nacisku). Sensor dostosowany do bardzo dużych obciążeń np. wag dźwigowych. Element elastyczny zaopatrzony jest w 2 układy cewek. Przepływ prądu przez 1 wytwarza pole magnetyczne, którego działanie na 2 cewkę przedstawione jest jako wektor pola B. Przy obciążeniu zmienia się kąt wektora B, bez obciążenia wynosi 45stopni do kierunku siły.

Metody kompensacyjne pomiaru siły.

Przykładem tej metody jest waga kompensacyjna. Mierzona siła F działa na ramię dźwigni i prowadzi do jego wychylenia. Wielkość wychylenia jest rejestrowana przez system pomiaru drogi. Przez obwód regulacji nastawiana jest siła przeciwna, która kompensuje wychylenie systemu ponownie na zero. Wymagana do tego elektryczna wielkość nastawcza jest proporcjonalna do działającej siły. Zasada kompensacyjna powoduje, że zastosowany czujnik drogi musi mieć bardzo mały zakres, co z kolei umożliwia wysoką rozdzielczość. Najczęściej jako system pomiaru drogi stosowane są dławiki różnicowe. Z tych powodów wagi kompensacyjne znajdują zastosowanie przede wszystkim w pomiarach precyzyjnych.

Wieloskładowe sensory siły.

Przykładem sensora wieloukładowego może być konstrukcja często stosowana dla sensorów sześcioosiowych. Jest ona kombinacją krzyża belkowego i membran podatnych na zginanie. Obliczenia siły mogą być realizowane w mikrokomputerze sensorowym. Sześcioosiowy sensor siły/momentu zazwyczaj posiada zintegrowaną elektronikę analogową i cyfrową. Za pomocą inteligentnego mikrokontrolera można realizować następujące funkcje: pobieranie danych, test zrozumienia i przeciążenia, obliczanie i szeregowe przekazywanie danych. Dominującym obszarem zastosowania takich sensorów jest technika automatyzacji. W technice robo tycznej są one na przykład umieszczane jako sensory nadgarstka w przegubie dłoni robota i stosowane do różnorodnych zadań technologicznych, które wymagają regulacji siłowej, np. przy automatycznym okrawaniu, szlifowaniu czy polerowaniu.

---