Snímače polohy

V průmyslové praxi závisí na přesném lineárním nebo rotačním posunu parametry mnoha automatizovaných systémů. Stroje a zařízení se neobejdou bez snímačů polohy a vzdálenosti. Kromě vlastního řízení polohy  také poskytují informaci o poloze akčního členu, využívají se při počítání kusů, zabezpečení správné činnosti zařízení nebo při zabezpečení pracovních prostorů.

Podle kontaktu s měřeným předmětem rozlišujeme snímače dotykové a bezdotykové. Jejich výstupní signál může být analogový nebo binární. K nejčastěji používaným snímačům polohy patří odporové, indukčnostní, kapacitní a optoelektronické snímače.

Odporové snímače

Pro spojité měření se používají lineární a otočné potenciometry. Odporová dráha se vyrábí z vodivého plastu odolného proti otěru. Pro indikaci polohy se používají koncové spínače, u kterých se změna polohy převádí na pohyb kontaktu.

Obr. 1: Potenciometry

Obr. 2: Koncový spínač - firma Siemens

Indukčnostní snímače

Dotykové indukčnostní snímače využívají změny vlastní nebo vzájemné indukčnosti cívky v závislosti na poloze jádra, které je spojeno s měřeným objektem.

Lineární snímač FLDT (Fast Linear Displacement Transducer) je tvořen válcovou cívkou s feritovým pláštěm. Jádro je hliníková trubička. Cívka je napájena proudem s frekvencí přibližně 100kHz. Vysokofrekvenční magnetické pole indukuje v trubičce vířivé proudy, které původní pole zeslabují. Hliníková trubička tedy zmenšuje indukčnost cívky podle toho, jak hluboko je do ní zasunuta.

Obr. 3: Indukčnostní snímač FLDT

Lineární rozdílový transformátor LVDT (Linear Variable Diffenential Transformer) má na společné kostře primární cívku a dvě cívky sekundární, které jsou zapojeny v protifázi. Změnou polohy jádra se mění vzájemná indukčnost primární a sekundárních cívek. Pokud je jádro uprostřed, je výstupní signál nulový.

Obr. 4: Indukčnostní snímač LVDT

Přibližovací (proximitní) indukčnostní snímače jsou bezdotykové a poskytují binární signál. Umožňují indikovat polohu kovových předmětů a nahrazují odporové koncové spínače. Mají malou spotřebu energie a odolávají prostředí.

Cívka je součástí trvale pracujícího LC oscilátoru. Z cívky vystupuje vysokofrekvenční elektromagnetické pole. Při přiblížení kovového předmětu se v něm indukují vířivé proudy, které zmenší amplitudu kmitů. Při poklesu na určitou hodnotu změní stav klopný obvod a výstupní obvod podle zapojení sepne nebo rozepne spínač.

Obr. 5: Indukčnostní přibližovací snímač

Kapacitní snímače

Základem dotykových kapacitních snímačů je kondenzátor, u kterého se může měnit vzdálenost desek, plocha desek nebo dielektrikum. Vyhodnocení změn kapacity se provádí pomocí střídavých nebo diferenčních můstků, případně rezonanční metodou. Kromě měření polohy se využívají při měření tloušťky materiálu nebo výšky hladiny.

Bezdotykové přibližovací kapacitní snímače reagují na změnu kapacity v důsledku přiblížení kovových i nekovových předmětů. Kondenzátor je součástí RC oscilátoru. Pokud v elektrickém poli není přítomen předmět, je amplituda kmitů malá. Přiblížením předmětu kapacita vzroste a zvýší se i amplituda kmitů a dojde k přepnutí klopného obvodu a výstupu.

Optoelektronické snímače

Výhodou optoelektronických snímačů je necitlivost vůči rušení elektromagnetickým polem a velký rozsah vzdáleností, ve kterých jsou schopny detekovat objekty. Jsou citlivější na vlhkost, vnější světlo a infračervené záření.

K typickým aplikacím patří hlídání rozměrů, kontrola obsahu, hlídání hladin, odměřování polohy.

Jako zdroje optického záření se používají luminiscenční diody LED nebo laserové diody. Detektorem, který převádí optický signál na elektrický, může být fotodioda PIN, lavinová fotodioda, fototranzistor, nábojově vázaná struktura CCD apod.

Binární optoelektronické snímače vzdálenosti mohou být provedeny jako reflexní difuzní snímače, jednocestné světelné závory a reflexní světelné závory.

Difuzní snímač má vysílač i přijímač v jednom pouzdře. Vyhodnocuje se světelný výkon odražený od detekovaného předmětu porovnáním s nastavenou požadovanou hodnotou.

Podobnou konstrukci má reflexní závora. Světlo vyzařované vysílačem se odráží

od odrazky a k aktivaci výstupu dojde při přerušení optické dráhy objektem.

U jednocestné závory je vysílač montován proti přijímači v optické ose. Výstup se aktivuje při přerušení dráhy objektem. Na stejném principu, ale s větším počtem světelných paprsků, pracují světelné mříže, které mohou monitorovat vstup obsluhy do nebezpečného prostoru stroje a vyvolat jeho zastavení.

Obr. 6: Činnost binárních optoelektronických snímačů 

Inkrementální optoelektronické snímače odečítají přírůstky dráhy z rovnoměrně označkovaných pravítek.

Obr. 7: Inkrementální snímač dráhy

Princip spočívá v clonění světelného toku mezi zdrojem a detektorem pravítkem nebo kotoučkem pravidelně rozděleným na průhledné a reflexní úseky. Pravítko se při pohybu překrývá s maskou (clonou) se stejnou roztečí rysek, takže intenzita světelného signálu přijímaného fotodiodami se periodicky mění. Signály na fotodiodách jsou sinusové, fázově posunuté o 180°.

Pomocí komparátoru se průběh upraví na pravoúhlý, ze kterého čítač vyhodnotí

určitý počet impulzů odpovídající posunu o jednu rozteč (přírůstek) dráhy.

Stejným principem lze měřit úhel natočení, když místo pravítka použijeme clonové kolo.

Obr. 8: Impulzní diagramy inkrementálního snímače dráhy 

Absolutní optoelektronické snímače poskytují pro každou polohu určitou číselnou hodnotu. Čísla jsou zakódována na kódových pravítkách a kotoučích v binárním kódu pomocí průhledných a neprůhledných plošek. Při vyšším počtu bitů (stop) se kód snímá sériově.

Obr. 9: Kódový kotouč kódového úhloměru

 

Zdroje

• KOLEKTIV AUTORŮ. Automatizace a automatizační technika 1. 1. vyd. Brno: Computer Press, 2012, 217s. ISBN 978-80-251-3628-7.

• MARTINEK, Radislav. Senzory v průmyslové praxi. 1. dotisk 1.vydání. Praha: BEN-technická literatura, 2008, 200s. ISBN 978-80-7300-114-4.

• SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Překlad Jiří Handlíř. Praha: Europa-Sobotáles, 2005, 420s. ISBN 80-86706-10-9.

Obrázky

• Obr. 1, 3, 4, 5, 7, 8 a 9: SCHMID, Dietmar a kol. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. 1. vyd. Překlad Jiří Handlíř. Praha: Europa-Sobotáles, 2005, 420s. ISBN 80-86706-10-9.
• Obr. 2: Archiv autora
• Obr. 6: MARTINEK, Radislav. Senzory v průmyslové praxi. 1. dotisk 1.vydání. Praha: BEN-technická literatura, 2008, 200s. ISBN 978-80-7300-114-4.   
• Obr. 10, 11, 12 a 13 : Archiv autora
• Obr. 14: TRIDO. Sekční garážová vrata - firma TRIDO. [online] [cit. 2015-01-16]. Dostupný na www: http://www.trido.cz/sekcni-vrata-1/