senzori si traductoare

TRADUCTOARE PENTRU MĂRIMI GEOMETRICE -inductive

Pentru poziţia de zero a magnetului permanent rotoric, amplitudinile componentelor de armonica a-II-a pe cele două înfăşurări sunt egale, şi se obţine La rotirea magnetului permanent faţă de "zero" (numită poziţie de referinţă), pe fiecare înfãşurare statorică apar semnale de armonica a-II-a diferite, care dau pe diagonala de măsurare un semnal de amplitudine proporţională cu unghiul α ( deoarece pentru α 0°…10, rezultã cã sin α α) adica senzorul este practic liniar. In ce priveste faza tensiunii de ieşire, aceasta este zero sau π în raport cu sensul de rotaţie.

3. 2.5. Elemente sensibile inductive de tip selsin Forma costructivă şi principiul de funcţionare al E.S. de tip selsyn face posibilă tratarea si utilizarea acestuia în două moduri:

a) Selsynul considerat transformator de unghi cu raport de transformare variabil în funcţie de unghiul de rotaţie dintre înfăşurări ;

b) Selsynul considerat maşina electricã specialã, deoarece are inductor şi indus ;

Principiul de funcţionare al selsynului poate fi explicat cu ajutorul figurii de pe slide-ul urmator.

.0Ue


Considerând statorul inductor (parcurs de tensiunea ), atunci în rotor se induce tensiunea : , unde θ este unghiul dintre axele electrice ale celor douã înfăşurări statorice.

t sinEe 11 tsin cosEe 22


Tensiunea are aceeaşi frecvenţă cu , ambele variază sinusoidal, dar amplitudinea tensiunii variază în funcţie de .Deci la variaţia ciclicã a unghiului θ ( de la 0 la 360°) se obţine o tensiune sinusoidală de valoare maximã E2, care la fiecare trecere prin zero îşi schimbă faza . Acest lucru pune în evidenţă două aspecte importante:a) Se poate detecta fiecare semirotaţie (prin schimbarea fazei) ;b) Pentru fiecare semirotaţie ( ) amplitudinea tensiunii induse ( ) este dependentă de unghi .

• Selsinul poate fi utilizat direct la măsurarea deplasărilor unghiulare sau indirect la măsurarea deplasărilor liniare, pe principiul ciclic absolut, adică poate acoperi un domeniu de deplasare liniară prin mai multe rotaţii (cicli)- măsurând faza în cadrul fiecărui ciclu .

• Traductoarele cu E.S. de tip selsin se realizează în două variante de bază : de tip resolver şi de tip inductosin .

3. 2.6. Element sensibil de tip resolver pentru deplasări unghiulare

• Resolverul (denumit şi selsyn bifazat) conţine douã înfăşurări statorice, decalate electric cu 90° ,rotorul fiind monofazat . În funcţie de modul de alimentare, inductorul poate fi, după caz, statorul sau rotorul .

) t (e2 ) t (e1 ) t (e2 cos

) t (e2

180...0 2e


• Dacã de exemplu rotorul este alimentat cu o tensiune: , se obţin în stator douã tensiuni :

• unde φ este unghiul pe care îl face rotorul cu axa înfăşurării – fig. A de mai jos:

• Valorile maxime şi depind de raportul de transformare între înfăşurări (dar sunt proporţionale cu fluxurile, iar defazajele de 90° se conservã numai dacă impedanţa de sarcină, , este infinitã). Daca se considerã acest raport de transformare egal cu 1, pentru ambele înfăşurări şi ca urmare se obţine:

t sinUu r

cost sinUu11 SS .sin t sinUu

22 SS

1SU 2SU

SZ

UUU21 SS


• Prelucrând tensiunile statorice se obţine o indicaţie asupra unghiului φ . De exemplu:

• Operaţia de divizare nefiind avantajoasă, în practică se preferă insa alimentarea resolverului pe stator iar rotorul devine indus . În această situaţie se pot evidenţia douã metode distincte de utilizare :

1. Rezolver cu modulaţie în amplitudine ;

2. Rezolver cu modulaţie de fază ;

1. Rezolverul cu modulaţie în amplitudine :

• Pentru a măsura poziţia unghiularã φ a unui ax (care antrenează rotorul) în raport cu unghiul (poziţia) de referinţă α - se alimentează cele douã înfăşurări statorice cu tensiunile :

unde α este unghiul de referinţã, iar φ - unghiul de măsurat ;

2

1

S

SU

U tg

t sin cosUu;t sin sinUu2S1S


Tensiunea indusã în rotor, pentru o poziţie unghiularã (φ) a axei rotorului faţã de axa

înfăşurării , va fi:

Înlocuind valorile tensiunilor şi se obţine :

Semnul (+) sau (-) este determinat de sensul de parcurgere al înfăşurărilor . Pentru sensul marcat în figura a precedenta este (- ) . Dacă se alimentează cele douã înfăşurări invers, cu tensiunile :

se obţine la bornele rotorului: ; (

Observaţie:

• Se obţine la ieşire o tensiune modulatã în amplitudine cu sinusul (sau cosinusul) unghiului , care reprezintă abaterea faţă de unghiul de referinţă prescris α .

. sinu cosuu2S1Sr

1Su2Su

). sin(t sinUu :sau

) sin cos cossin (t sinUu

r

r

cost sinUu1S

sin t sinUu2S

) ( cost sinUu r


2. Rezolver cu modulaţie de fazãLa acest resolver se alimentează statorul cu douã tensiuni

de aceeaşi frecvenţă şi amplitudine, dar decalate cu 90° electrice :

Ca urmare, tensiunea indusă în rotor va fi:

sau:

Deci tensiunea obţinută are faza proporţionalã cu unghiul φ ce caracterizează poziţia relativã a rotorului faţã de stator.

t sinUu1S t cosU)

2tsin(Uu

2S

) sin t cos cost sin (Uu r

). t sin(Uu r


• 3.2.7. Element sensibul de tip inductosin circular

• Inductosinul circular poate fi echivalent cu un selsin multipolar desfăşurat în plan (ce are un număr mare de poli) . Constructiv, acesta constã din douã discuri plane, separate între ele printr-un interstiţiu de aer cu grosimea de mm .

• Un disc (rotorul) este mobil,fiind cuplat solidar cu obiectul a cărui deplasare unghiulară se măsoară, iar celãlalt este fix (statorul) şi asociat cu sistemul de referinţă. Pe discul fix se găsesc douã înfăşurări multipolare plane (realizate în tehnologia circuitelor imprimate ) decalate între ele cu 90° electrice .Rotorul, de regulă, este indusul şi conţine o singură înfăşurare. Pasul înfăşurăii rotorice este egal cu pasul înfăşurării statorice ca in figura urmatoare:

3,0...1,0


Utilizând aceleaşi notaţii ca la selsin tensiunile induse în rotor vor fi:

a) în cazul modulaţiei de fazã

unde γ – este defazajul global

b) în cazul modulaţiei în amplitudine :

unde: este defazajul global pentru K – număr întreg( 0,1,2,3 );

φ - unghiul de rotaţie dintre stator şi rotor ; α - unghiul de referinţã ; p - nr. perechilor de poli ai înfăşurării rotorice; - pasul de divizare.

Uzual, pasul de divizare (τ) se ia egal cu 2° şi printr-o divizare electronicã se pot obţine precizii de cinci secunde (5”) sau chiar o secundă ( l”) .

Avantajul preciziei de măsurare a unghiului, oferit de inductosinul circular este contracarat parţial de câteva cerinţe constructive dintre care cele mai importante sunt : interstiţiul dintre stator şi rotor ( 0,1… 0,3 ) mm, perfect paralel ; cuplajul inductiv armonic ; uniformitatea pasului înfăşurărilor ;

omogenitatea materialului suport .

)ptsin(UU r

)psin(t sinUU r

p

K2


Principalele tipuri de erori, care opt afecta rezultatele măsurării deplasărilor unghiulare sunt:a) erori datorate armonicilor superioare (de ordinul 3 şi 5) în cuplajul mutual dintre stator şi rotor . Aceste armonicile dăunătoare pot fi anulate dacã se impune o lăţime adecvată pentru conductoarele statorice şi rotorice:

( pentru stator ), ( pentru rotor) ;unde prin şi s-au notat ½ din lăţimea conductorului statoric şi respectiv, ½

din lăţimea conductorului rotoric .b) erori datorate impreciziei tehnologice a execuţiei :

• pas de divizare neegal; • lăţime neegală (a) în trasajul conductoarelor; decalaj diferit de între

tensiunile de alimentare a înfăşurărilor rotoricece creează tensiuni reziduale şi atenuează semnul util);

• inegalitatea amplitudinilor celor două tensiuni de alimentare a înfăşurărilor statorice – care pot genera o tensiune reziduală ce atenuează semnalul util;

• inegalitatea impedanţelor înfăşurărilor cursorului; • erori de montaj (planeitate imperfectã ) între stator şi rotor .Majoritatea acestor erori pot fi compensate prin mijloace tehnice relativ simple . Ca

urmare, inductosinul circular este frecvent utilizat ca traductor de deplasare unghiularã în echipamentele de conducere numericã a maşinilor unelte .

3as 5a r

sa ra

2

TRADUCTOARE PENTRU MĂRIMI GEOMETRICE – de tip rigla

3.2 Elemente sensibile pentru deplasări liniare mari

Măsurarea deplasărilor liniare mari, de ordinul metrilor sau zecilor de metri este necesară în industria materialelor de construcţii (benzi

transportoare), în metalurgie (laminoare) sau în construcţia de maşini (maşini unelte cu comandă numerică) .

Deplasările mari se pot măsura direct, cu elemente sensibile liniare (absolute sau incrementale), sau indirect cu ES. unghiulare de tip ciclic absolut (selsin) sau numeric absolut (disc codat). Utilizarea E.S. cu funcţionare ciclică, necesită sisteme mecanice adecvate

conversiei de tip circular- liniar, cum ar fi: pinion-cremalieră, şurub-piuliţă, bandă rulantă şi cablu-arc (resort). Măsurarea corectă a

deplasărilor liniare mari, presupune eliminarea jocurilor în agrenaje şi a histeresului mecanic.

Traductoarele directe pentru măsurarea deplasărilor liniare mari sunt de tip riglă (dispusă de obicei pe suportul care deplasează organul

mobil) sau utilizează tehnici de interferometrie cu laser.Cele mai răspândite elementele sensibile de tip riglă sunt: inductosinul

liniar şi rigla optică.


3.2.1 Inductosynul liniarAcesta este echivalent cu un selsin multipolar desfăşurat în plan, la care rotorul

este o riglă a cărei lungime trebuie să acopere domeniul maxim de măsurare, iar statorul este un cursor ce se deplasează deasupra riglei. Pe riglă şi pe cursor se găsesc înfăşurări realizate din folie de cupru imprimate prin procedee speciale (serigrafice). Rigla are o singură înfăşurare, iar cursorul are două înfăşurări, toate realizate cu acelaşi pas, ca in figura urmatoare:

unde: p este pasul înfăşurării, iar - pasul polar.

; 2p p

p


Între spirele celor două înfăşurări ale cursorului există un decalaj de 90° electrice (notat cu d). Acest decalaj se exprimă prin relaţia :

unde n - este numărul de paşi polari (n - număr întreg), iar x - poziţia relativă între riglă şi cursor.

Principalele caracteristici (standardizate internaţional) ale inductosinului liniar sunt:

- lungimea riglei: l =250 mm; 500 mm; 1000mm.

- pas polar = 2 mm;

- rezistenţa înfăşurărilor: pentru riglă = (51); pentru cursor =1,5;

- interstiţiul riglă - cursor: (0,05 … 0,25) mm.

- grosimea conductoarelor (cupru) : (0,03…0,07) mm

- numărul de poli pe rigleta standard : 64…96

- frecvenţa tensiunii de alimentare: (2 … 10 Khz)

- raportul dintre tensiunea inductoare şi cea indusă: = (150…200)

;2

n 2dp

p

p

tK


Din punct de vedere constructiv inductosinul se poate realiza ca traductor absolut în domeniul unui semipas (semiperioadă) de 2 mm, dar şi ca traductor ciclic absolut într-o schemă care contorizează numeric numărul de semipaşi (treceri prin zero ale tensiunii proporţionale cu defazajul) şi apoi exprimând numeric sau analogic faza în cadrul unui pas.

- Variantele de alimentareale înfăşurărilor sunt : alimentare pe riglă, cu prelucrarea a două semnale culese din înfăşurările

cursorului ; alimentare pe cursor, cu două tensiuni şi prelucrând un singur semnal de

ieşire (din înfăşurarea riglei). Ultima soluţie este cea mai utilizată şi se practică în două variante :

a) Cu modulaţie de fază:În acest caz cursorul fiind alimentat cu tensiunile U sin ωt, respectiv U cos ωt,

(defazate cu 90 grade) si se obţine tensiune de ieşire (din riglă) :

unde este raportul de transformare al tensiunilor; x - poziţia relativă între riglă şi cursor în cadrul unui semipas (x = 0 ,dacă se suprapun înfăşurările riglei cu prima înfăşurare a cursorului).

; )x

tsin(UK)2

xsin(2t cosUK)

2

xcos(2t sinUKU

pt

pt

ptr

tK


b) Cu modulaţie în amplitudine, cand infasurarile sunt alimentate cu tensiuni in faza dar de amplitidine dependenta de pozitia initiala si finala de masurat, situaţie în care se obţine:

unde: este poziţia faţă de care se măsoară deplasarea în cadrul unui semipas.

Observaţii:• Masurarea deplasarilor mai mari se realizeaza prin conectarea

inductosynelor in seri (cascada). In acest caz se va acorda atenţie la evitarea excentricităţilor, păstrarea constantă a interstiţiilor dintre riglă şi cursor, păstrarea paralelismului faţă de ghidaj şi a planeităţii. Erorile specifice acestui traductor se datorează dilatării inegale (cu temperatura) a riglei şi suportului, motiv pentru care se impun măsuri speciale de corecţie.

• Erorile datorate câmpurilor perturbatoare externe se elimină prin ecranarea părţii active a cursorului, cu o folie de metal legată la masă.

);x-(xsint sinUKU 0p

tr

0x


• Schema de principiu pentru prelucrarea semnalelor produse de inductosynul liniar, în cazul deplasării pe o axă şi oprire la cotă prescrisă, este dată în figura urmatoare:

• Măsurarea constă în prelucrarea numerică a fazei semnalului e, faţă de faza unui semnal de referinţă , care reprezintă ultima poziţie a organului mobil (OM).

re


Un ciclu de măsurare decurge astfel:

1) Se testează dacă defazajul dintre e şi este < 180° ; dacă da, la fazmetru ajunge un semnal e’(proporţional cu e); dacă nu la fazmetru ajunge acelaşi semnal negat ( ). Această secvenţă de lucru asigură măsurări doar pe o semiperioadă ( când faza semnalului variază între 0 şi 180°).

2) Se compară e’ (sau ) cu ; dacă OM şi-a schimbat poziţia apare o diferenţă de fază între e şi , iar în numărătorul acumulator(AC) intră trenul de impulsuri de la ieşirea blocului D.F. (fazmetru digital) care reprezintă cota reală.

3) În funcţie de semnul diferenţei de fază între e şi , în defazorul DP se trece conţinutul AC (la semn plus) sau complementul faţă de 2000 (la semn minus).

4) DP modifică (în funcţie de conţinutul lui AC) semnalul pentru următorul test de măsurare.

re

'e

'ere

re

re


3.2.2 Rigla optică incrementala liniara

Riglele optice sunt elemente sensibile care se realizează in varianta liniara sau sub forma de disc absolute sau incrementale.

Riglele absolute pot fi utilizate pentru măsurarea deplasărilor liniare de circa 1 m, cu precizie de 1(un) micron. Acestea sunt cele mai

precise E.S. ale traductoarelor pentru deplasări liniare. Costul ridicat, problemele de rectilinitate perfectă şi influienta

impurităţilor (praf, pulberi, diferite), fac imposibilă utilizarea acestora pentru domenii mari. Ele nu pot fi totusi capsulate etanş (precum

discurile absolute). De aceea, în cazul măsurărilor absolute pentru domenii mari de deplasare se va recurge la măsurări indirecte (cu

discuri absolute) sau măsurări directe incrementale. În figura de pe slide-ul urmator se prezintă schema de principiu pentru o riglă

incrementală.Riglele optice incrementale se utilizează pentru măsurarea deplasărilor

de maximum .3m. Pentru lungimi mai mari se utilizează rigle metalice (oţel) - cu procedeu de citire episcopic.


Mărirea preciziei se poate face prin tehnici de multiplicare electronică (interpolare în cadrul unui pas).

O altă variantă de E.S. optic , specifică riglelor, apelează la tehnica franjelor Moiré. Franjele Moiré sunt produse de variaţiile poziţiilor relative a două rigle identice, suprapuse dar uşor nealiniate. Fiecare riglă constă dintr-o suprafaţă transparentă formată dintr-un un mare număr de linii echidistante.

La deplasarea unei rigle peste cealaltă, sub un anumit unghi, apar alternanţe de zone luminoase şi întunecate (franje Moiré) care se deplasează cu câte o cuantă la fiecare deplasare a riglei egală cu pasul reţelei de linii.

senzori si traductoare

Documents

Transcript of senzori si traductoare