Mechatronika jest dziedziną interdyscyplinarną, łączącą w sposób synergiczny wiedzę z klasycznej budowy maszyn, hydrauliki, pneumatyki, elektrotechniki elektroniki, optyki i informatyki. Architektura systemu mechatronicznego: System mechatroniczny jest to zamknięty układ sterowania zbudowany z następujących jednostek funkcjonalnych: obiektu podlegającego kontroli, moduł pomiarowy, układ sterującego, modułu nastawczego. W klasycznym systemie elektro-mechanicznym występuje wyraźny podział na bloki funkcjonalne: aktuatory, obiekt mechaniczny, sensory i komputer sterujący. System mechatroniczny jest zintegrowany na poziomie sprzętowym i programowym. Czujniki Sensory, przetworniki. Mogą być postrzegane jako filtry, które wydobywają tylko część z ogólnie dostępnej informacji i przetwarzają ją w ilościowy pomiar. Przedstawiają wynik w takiej postaci, która umożliwia odpowiedź jedynie na określone pytania. Czujnik przetwornik wielkości fizycznej (odległość, siła temperatura itd.) na sygnał elektryczny. Klasyfikacja czujników ze względu na zasadę działania: potencjometryczne, pojemnościowe, indukcyjne, ultradźwiękowe, tensometryczne, piezoelektryczne, piezorezystywne, światłowodowe. Klasyfikacja czujników ze względu na mierzoną wielkość: położenia, odległości i kąta obrotu, przyspieszenia, siły, ciśnienia i momentu obrotowego, przepływu, temperatury, natężenia światła. Klasyfikacja czujników ze względu na źródło energii sygnału pomiarowego: pasywne - energia potrzebna do wytworzenia sygnału wyjściowego jest czerpana ze zjawiska fizycznego (pomiar temperatury z wykorzystaniem termopary)aktywne wymagają zewnętrznego źródła energii do wytworzenia sygnału wyjściowego (pomiar naprężenia z wykorzystaniem tensometru). Czujniki – parametry Zakres względny – relacja między największą a najmniejszą wielkością wejściową. Rozdzielczość – najmniejsza wykrywalna różnica między dwoma pomiarami. Liniowość-zależność sygnału wyjściowego od zmienności sygnału mierzonego. Pasmo pomiarowe–częstość, z jaką czujnik może dostarczać pomiarów (zależy od częstości próbkowania, szybkości przetwarzania i przesyłu informacji Obszar widzenia-może być różny w różnych kierunkach działania czujnika. Czułość–relacja pomiędzy zmianą wielkości wyjściowej i wielkości mierzonej. Wrazliwość–czułość na inne parametry środowiska. Błąd = wartość prawdziwa – wartość zmierzona. Dokładność = 1 – (błąd / wartość prawdziwa); często trudno jest określić wartość prawdziwą i wówczas dokładność jest szacowana na podstawie błędów systematycznych i błędów losowych Precyzja = zakres / (odchylenie standardowe błędów losowych); Powtarzalność wyników pomiarów.

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. Odporne na trudne warunki otoczenia, Duża trwałość, brak tarcia. Dotykowe pomiary niewielkich odległości i przemieszczeń, 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. Potencjometry Przetwarza zmiany położenia końcówki pomiarowej na zmiany oporu, a pośrednio na zmiany napięcia. Dostępne w wersji liniowej, lub kątowej; Suwak lub szczotka samoczyszcząca; Potencjometry liniowe mają zakres pomiarowy w granicach 10mm do 2m; Zakres potencjometrów obrotowych od 0° do 360°Potencjometry liniowe pracują jak liniowo zmienny rezystor, tzn. przesuwany jest suwak po ścieżce rezystywnej. Jeśli do przetwornika podłączy się napięcie, to napięcie na wyjściu suwaka jest wprost proporcjonalne do pozycji suwaka na ścieżce rezystywnej. Ścieżka rezystywna wykonana jest najczęściej z przewodzącego tworzywa wysokiej jakości. Dzięki temu osiąga się nie tylko dużą rozdzielczość, ale tez pomiary mogą się odbywać przy większej prędkości przemieszczenia. Czujniki indukcyjne-zasada działania Zbliżeniowe czujniki indukcyjne są elementami automatyki reagującymi na wprowadzenie metalu w ich strefę działania. 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 Oscylator generuje prąd zmienny, który przepływając przez cewkę umieszczoną wewnątrz jego obudowy wywołuje zmienne pole magnetyczne. Kierunek zamocowania cewki określa jednocześnie stronę, od której to reaguje czujnik. Bardzo często ta strona nazywana jest powierzchnią aktywną Gdy obiekt metalowy przesuwa się przez pole detekcji, to są w nim generowane prądy wirowe.

Obiekt staje się źródłem pola magnetycznego, które jest skierowane przeciwnie do wytwarzanego przez cewkę. Eliminują potrzebę konta Wykrywają jedynie metal Wykrywają metal przez barierę niemetaliczną. Wymiar powinien być większy niż 1,5 średnicy cewki. Odporne na trudne warunki środowiskowe. Stosunkowo mały zakres pomiarowy, zwykle 30-50% średnicy 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. Mogą wykryć praktycznie wszystko. Zwykle mały zakres pomiarowy 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 rodzaj materiału. Duża trwałość, praktycznie nieskończona liczba cykli pracy. Czujniki ultradźwiękowe. Fale dźwiękowe o częstotliwości f >20 kHz.(zwykle 40-250 kHz). Pomiar odległości na podstawie zwłoki czasowej i prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku. 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. Fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe. Sensory fotoelektryczne najczęściej są produkowane jako odbiornik zespolony ze źródłem światła. Spotykane są również wykonania w postaci odrębnych modułów nadajnika i odbiornika (bariera). Współcześnie źródłem światła są albo diody LED, albo diody laserowe. Aby uodpornić czujnik na zakłócenia a także zmniejszyć pobór energii, bardzo często wiązka światła poddawana jest modulacji. Odbiornik bazuje na elemencie fotoelektrycznym. Zalety: duża rozdzielczość umożliwiająca detekcję również bardzo małych obiektów i niewielkich przemieszczeń, duży zasięg detekcji oraz krótki czas reakcji. Podstawową wadą jest wrażliwość na zanieczyszczenia, na kolor powierzchni i jej zdolność do odbijania/ pochłaniania światła.

Sensory cyfrowe – en kodery 1) Inkrementalne sensory położenia 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. Enkodery inkrementalne – optyczne szklane liniały kreskowe z kreskami pochłaniającymi światło i odstępami przepuszczającymi światło o szerokości np. 4 mikrometrów Urządzenie odczytujące składa się z silnego źródła światła, płytki odczytowej (z podziałką kreskową) i elektronicznego układu analizującego Kiedy odstępy pomiędzy kreskami liniału znajdują się dokładnie naprzeciwko odstępów płytki odczytowej, światło - ze źródła światła - przedostaje się do światłoczułych fotodiod, których sygnały zostają następnie przetworzone elektronicznie. Po przesunięciu liniału względem płytki odczytowej o szerokość kresek światło nie przedostaje się do fotodiod. Podczas przesuwania liniału z podziałką kreskową względem płytki odczytowej zmienia się periodycznie ilość przechodzącego światła, z okresem równym działce liniału. Do pomiarów położenia kątowego wykorzystuje się inkrementalne sensory optyczne. W tym przypadku kreski naniesione są na brzegu tarczy obrotowej. Podziałka kreskowa odczytywana jest przez płytkę odczytową z dwoma podziałkami kreskowymi przesuniętymi względem siebie o 1/4 okresu podziałki.

Enkodery inkrementalne (obrotowo-impulsowe). 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–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 – porównanie 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 absolutne- Enkodery absolutne mogą mieć liniały lub tarcze kodowe Najbardziej rozpowszechnionymi kodami wykorzystywanymi w tego typu urządzeniach to naturalny kod dwójkowy kod Gray’a lub kod dwójkowo-dziesiętny. Obrotowe tarcze kodowe stosowane są w sensorach absolutnego położenia kątowego, a w połączeniu z przekładnią śrubową lub przekładnią zębatkową - do pomiarów absolutnych położeń liniowych. 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. Aktuatory elektromechaniczne i elektromagnetyczne Przetwornik zamieniający sygnał elektryczny na ruch. Wytwarza siłę (aktuator liniowy) lub moment obrotowy (aktuator obrotowy). Jest przetwornikiem energii elektrycznej na mechaniczną. Przetwornik-urządzenie zmieniające postać przetwarzanej energii. Między pompą a silnikiem hydraulicznym lub siłownikiem występują różnorodne elementy sterujące. Elementy te - nazywane inaczej zaworami - przeznaczone są do spełniania bardzo zróżnicowanych funkcji. 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. 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 rozróŜniamy1. Elektromagnesy prądu stałego.

2. Elektromagnesy prądu zmiennego. Ze względu na kontakt elektromagnesów z olejem rozróżniamy

1. Elektromagnesy suche. 2. Elektromagnesy mokre. MEMS'y - Mikro Elektro-Mechaniczne Systemy zintegrowane urządzenia elektryczno-elektronicznomechaniczne, 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. W zależności od wykonywanych zadań wyróżnia się następujące typy MEMS'ów trzy podstawowe: Sensory (czujnik) urządzenie, które przetwarza nieelektryczne wielkości fizyczne NE w sygnał elektryczny E. Aktuator (człon wykonawczy) urządzenie przetwarzające sygnał elektryczny E w nieelektryczną wielkość fizyczną NE. Procesor modyfikuje sygnał elektryczny, bez zmiany postaci energii opisującej ten sygnał. Układy MEMS można podzielić na:elektromechaniczne, elektro-opto-mechaniczne,elektro-chemo-opto-mechaniczne.Zastosowania cywilne MEMS 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. 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. Półprzewodnikowe układy mechaniczne (MEMS) Integracja w skali mikroelementów mechanicznych; sensorów; elementów wykonawczych elementów elektronicznych na wspólnym np. krzemowym podłożu. Typowy proces wytwarzania mikrosilnika krzemowego1)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. 2)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. 3)Następuje naniesienie warstwy dwutlenku krzemu o grubości 2,3 μm i ukształtowanie z niej przez trawienie przestrzeni pomiędzy tarczą a wirnikiem. 4)Utworzenie, przez trawienie głównej warstwy polisilikonu, kształtu wirnika i biegunów stojana. 5)Następuje formowanie przestrzeni pomiędzy wirnikiem a piastą, która pełni rolę łożyska ślizgowego, na którym obraca się wirnik, przy pomocy następnej warstwy dwutlenku krzemu o grubości300 nm.6)Ukształtowanie piasty z warstwy polisilikonu o grubości 1 μm.7)Następuje „uwolnienie” wirnika za pomocą trawienia anizotropowego warstwy dwutlenku krzemu. 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. Mikroaktuatory MEMS Aktuatory elektrostatyczne

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. 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 ABS, systemy stabilizacji jazdy), Systemy nawigacji satelitarnej GPS Pomiary drgań maszyn przemysłowych, Komputerowe urządzenia peryferyjne: mysz, joystick. Mikromechaniczny sensor przyspieszenia w konfiguracji pionowej• Konfigurację pionową realizuje się techniką głębokiego trawienia krzemu z wytworzeniem masy bezwładnej zawieszonej na sprężystych belkach. Przy pojemnościowym odczycie sygnału masa bezwładna pełni rolę centralnej elektrody w układzie kondensatora różnicowego. Tego typu struktura zapewnia dużą liniowość a ponadto możliwość pracy w układzie elektromechanicznego sprzężenia zwrotnego Sprzężenie zwrotne przywraca położenie równowagi masy sejsmicznej odchylanej siłą bezwładności. Mikromechaniczny sensor przyspieszenia w konfiguracji lateralnej. Konfigurację lateralną (wykorzystywaną w czujnikach przyspieszenia ADXL) realizuje się techniką mikromechaniki powierzchniowej w polikrzemie Centralna ruchoma belka tworząca wraz z nieruchomymi belkami strukturę grzebieniową, jest wychylana z położenia równowagi przez siły bezwładności. Ruchoma belka jest jednocześnie ruchomą okładką w strukturze kondensatora różnicowego, który utworzony jest przez odpowiednie połączenia elektryczne belek struktury grzebieniowej. MEMS czujniki przyspieszenia; czujniki ciśnienia; tonometry; czujniki promieniowania elektromagnetycznego i bolometry; protezy zmysłów(ucho, oko);różne czujniki biomedyczne; urządzenia dla chirurgii nieinwazyjnej; 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. MEOMSlustra 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 bio-chip, lab-on-chip mikroreaktory, mieszalniki, filtry, dozowniki płynów, lekarstw chromatografy gazowe i cieczo-weczujniki bio, pH, analizatory bio, DNA;analizatorymikropompy, zawory; manipulatory komórkowe; dozownik insuliny. Mikromaszyny śruby, sprężyny, koła zębate, przekładnie obrotowe, liniowe, planetarne mikrosilniki obrotowe, liniowe, parowe, pneumatyczne turbiny do udrażniania naczyń krwionośnych narzędzia i chwytaki sterowniki i mikro siłowniki mili i mikro samochody, mili i mikro samoloty, sterowane inteligentnie mikroroboty przemysłowe żyroskopy

narzędzia chirurgiczne „wędrujące” urządzenia diagnostyczne i naprawcze mierniki przepływu z turbinami,

mikroładunki wybuchowe.