Senzori de Miscare [PDF]

Zitiervorschau

Universitatea „Aurel Vlaicu” Facultatea de Inginerie Sectia: AIA Gheorghescu Bogdan Grupa 2, Smg. III

Avertizorul de Prezenta

Coordonator Conf. Dr. Redac Teodor Radu

Senzori de proximitate In sens larg proximitatea se refera la gradul de apropiere dintre doua obiecte, dintre care unul reprezinta sistemul de referinta. Senzorii de proximitate sunt senzori de investigare, a caror particularitati constau in distantele mici de actiune (zecimi de mm si mm), si in faptul ca in multe cazuri sunt utilizati la sesizarea prezentei in zona de actiune. Senzori de proximitate capacitivi

Senzorii capacitivi se bazeaza pe variatia capacitatii electrice intr-un circuit, si au avantajul ca pot detecta si obiecte nemetalice. Sunt insa sensibili la factori perturbatori, cum ar fi murdarirea fetei active. Senzori de proximitate inductivi

Acestia sunt cei mai raspanditi, fiind realizati intr-o plaja larga de variante si tipodimensiuni. Elementul activ al unui astfel de senzor este un sistem format dintr-o bobina si un miez de ferita. Obiectul a carui prezenta se determina trebuie sa fie metalic. Marimea de iesire poate fi analogica (proportional cu distanta dintre suprafata activa si obiect), sau statica (aceeasi valoare atat timp cat senzorul este activat). Senzori de proximitate ultrasonici

Functionarea se bazeaza pe masurarea duratei de propagare a unui semnal ultrasonor intre emitor si obiect, iar distanta maxima de lucru este in functie de natura traductorului (piezoceramic, electrostatic etc.) si de frecventa. Iata de exemplu un senzor ultrasonic analogic M30 - acesta este destinat controlului exact al oricarei suprafete plane solide, lichida sau pulbere. Senzorul dispune de iesire de tensiune si de curent, cu 12 biti rezolutie, de functie de evaluare memorata si compensare de temperatura. Sunt disponibile trei domenii de sensibilitate: 500mm, 2000mm, 4000mm acoperind o plaja larga de aplicatii, incluzand controlul nivelului. La inceput trebuie stabiliti parametri de lucru, cu memorarea limitelor de evaluare A1 si A2, cu compensarea de temperatura etc. Senzori de proximitate optici

In cazul in care obiectele investigate se gasesc la distante mai mari, senzorii inductivi si capacitivi devin inutilizabili, domeniul fiind acoperit cu bune rezultate de senzorii optici. Acestia functioneaza fie pe principiul transmisiei unui fascicul de lumina, fie pe principiul reflexiei.

Traductori de Proximitate Proximitatea înseamnă gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul este obiectul de referinţă. Prin acesta se poate controla poziţia unui obiect fără contact, interstiţiul dintre suprafeţe, prezenţa unui obiect metalic în câmpul de lucru. Caracteristica lor este de tip releu, având două valori extreme, nivelul “0” respectiv nivelul “1” nivele între care trecerea se face brusc. Specificul acestor traductoare este histereza (δ), adică trecerea de la un nivel la altul a mărimii de ieşire depinde de sensul (direcţia) de variaţie a mărimii de intrare (figura 1). Forma constructivă este compactă, conţinând şi circuite de prelucrare.

Fig.1. Caracteristica traductoarelor de proximitate Schema bloc a unui senzor de proximitate inductiv se prezintă în figura 2:

Fig. 2. Schema bloc a senzorului de proximitate inductiv

Elementul sensibil ES este o bobină care face parte dintr-un oscilator OSC. În jurul bobinei se întreţine astfel un câmp magnetic alternativ. La apariţia unui obiect metalic se induc în acesta curenţi turbionari, care se reflectă asupra câmpului magnetic al bobinei, creând fluxuri de sens opus. Astfel se modifică frecvenţa de oscilaţie al oscilatorului.

Blocul electronic sesizează această variaţie şi comută starea elementului de ieşire dintr-o stare în alta. Blocul final constă dintr-un tranzistor de putere cu colector în gol. Cu acest tip de traductor se pot sesiza prezenţa obiectelor metalice, de exemplu starea închisă a unui ecran protector. Dar se poate folosi şi la realizarea traductoarelor de viteză. Traductorul inductiv de tip TCA105N este un senzor de proximitate realizat sub forma unui circuit integrat cu opt terminale. Prin conectarea în exterior la pinii 2, 3, 4 a unui condensator şi a unei bobine se realizează un oscilator cu o frecvenţă cuprinsă între 1 şi 5MHz. Are două ieşiri complementare, ambele fiind tranzistoare cu colector în gol. La ieşiri (pinul 7 sau 8) se conectează o rezistenţă de sarcină RS. La apropierea unui obiect metalic feromagnetic oscilaţiile se amortizează ceea ce duce la cuplarea la masă a rezistenţei de sarcină. Structura internă a acestui traductor se prezintă pe figura 3:

Fig. 3. Schema internă a senzorului TCA105

Există două variante constructive în funcţie de modul de conectare a bobinei şi a condensatorului. În figura 4a este prezentată schema de funcţionare a traductorului de proximitate cu fantă. Circuitul de intrare este în configuraţie de oscilator, oscilaţiile fiind întreţinute de cuplajul inductiv între bobinele L1 şi L2 realizate pe oale de ferită şi poziţionate pe aceeaşi axă, la o distanţă de câţiva mm una de alta. Datorită frecvenţei de lucru mai mari de 1MHz, oscilaţiile în etajul de intrare menţin ieşirile circuitului în starea “acţionată”. Prin introducerea unei piese de fier în fantă cuplajul magnetic se întrerupe, oscilaţiile se amorsează, iar ieşirile trec în starea “blocat”.

Fig. 4. Moduri de conectare a bobinei sesizoare

Senzorul de tip βSM 235 este un traductor magnetic integrat de proximitate al cărei funcţionare se bazează pe efectul Hall. Sesizează prezenţa unui câmp magnetic de intensitate relativ redus, în jur de B=50mT. Scoate la ieşire un semnal electric cu valoare cuprinsă între 1 şi 10mV. Aceste circuite conţin în acelaşi cristal de siliciu atât senzorul Hall cât şi blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta şi poartă denumirea comercială de senzor magnetic comutator. Pentru funcţionarea lui este nevoie de prezenţa câmpului magnetic (prezenţa unui mic magnet permanent). Principiul de funcţionare: la sesizarea prezenţei unui câmp magnetic de inducţie B, senzorul Hall furnizează o tensiune diferenţială, proporţională cu inducţia. Această tensiune este preluată de amplificatorul diferenţial, care o aplică unui comparator cu histerezis ce lucrează ca un comutator. Dacă circuitul este plasat într-un câmp magnetic a cărui inducţie depăşeşte valoarea corespunzătoare a pragului de deschidere, comparatorul comandă prin intermediul unui amplificator injecţia unui curent în baza tranzistorului de ieşire, care este adus în saturaţie, iar colectorul său poate absorbi un curent important. Dacă inducţia magnetică scade sub valoarea corespunzătoare pragului de blocare, ieşirea comparatorului revine în starea iniţială, iar tranzistorul de ieşire va fi blocat. Între pragul de ieşire şi cel de blocare există un histerezis, necesar pentru a asigura imunizarea circuitului faţă de zgomote. Comutarea dintr-o stare în alta se poate obţine prin: • deplasarea unui magnet – se poate folosi ca traductor de prezenţă sau de rotaţie. Deplasarea magnetului se poate face frontal sau transversal. Cursa magnetului trebuie să depăşească două distanţe de prag, una pentru deschidere, cealaltă pentru blocare. • ecranarea câmpului magnetic – se poate realiza prin intercalarea unui material feromagnetic (bandă de lăţime peste 1mm) între sursă şi senzor. • concentrarea câmpului magnetic – se realizează prin apropierea unui material feromagnetic în spatele senzorului, amplasat într-un câmp insuficient de intens pentru a produce bascularea. Prezenţa obiectului feromagnetic permite bascularea prin creşterea inducţiei. Structura internă a senzorului se prezintă în figura 5:

Fig. 5. Schema bloc intern a senzorului βSM 235

Se prezintă sub forma unui tranzistor de tip BD având o faţă sensibilă. Tensiunea de alimentare este redus. Are multiple modalităţi de utilizare, ca senzor de orizontalitate (magnetul inclus în pendul), de nivel (magnetul pe flotor), limitator de cursă la roboţi, traductor numeric rotativ incremental pentru viteză sau poziţie unghiulară, traductor de curent (depăşirea unei valori maxime), senzor de intensitate de câmp magnetic.

1. Modul de lucru Pe placa de probă este fixat un traductor inductiv de proximitate având tranzistorul final de ieşire tip npn cu colector în gol. Alimentarea traductorului se face conform figurii 6. Între ieşire şi +Vcc se leagă elementul care va fi comandat de traductor (bobina unui releu). Trebuie avut grijă ca curentul absorbit de bobină (sau alt element) să nu depăşească valoarea maximă care poate să treacă prin tranzistorul final al traductorului (se dă în catalog).

Fig. 6. Modul de alimentare a traductorului inductiv

Pentru sesizarea cuplării traductorului se leagă pe un contact normal deschis al releului un ohm-metru, acesta va indica rezistenţă infinită sau rezistenţă zero corespunzător celor două stări al traductorului. Se fac următoarele determinări:

• Se apropie şi se îndepărtează lent un obiect metalic de suprafaţa activă a traductorului. Se determină distanţele la care traductorul cuplează şi decuplează şi se calculează histereza. • Se apropie şi se îndepărtează lent obiectul metalic din partea laterală determinând gradul de acoperire la care traductorul cuplează şi decuplează. Se calculează histereza. • Se verifică influenţa tensiunii de alimentare asupra distanţelor de acţionare modificând tensiunea la valorile 20V apoi la 15V. • Determinările se pun în evidenţă prin desenarea caracteristici în diferite situaţii! Traductorul integrat de proximitate tip TCA105 se va studia în conexiunea realizată conform figurii 4a. La ieşirile complementare (pinii 7 şi 8) sunt legate LED-uri pentru sesizarea cuplărilor (figura 7).

Fig. 7. Conexiune pentru traductorul TCA105

Se fac următoarele determinări: • Pe pinul 3 (borna comună a bobinelor) se vizualizează cu osciloscop oscilaţiile din bobine şi variaţiile de amplitudine a acestora la introducerea piesei de fier în fantă. • Se determină amplitudinea la care ieşirile se cuplează şi decuplează. Se determină perioada respectiv frecvenţa oscilaţiilor. • Datele obţinute se notează! Senzorul magnetic comutator de tip βSM 235 se alimentează conform figurii 8a.

Fig. 8. Montajul utilizat pentru măsurători cu βSM 235

Se fac următoarele măsurări: • Se măsoară cu ajutorul unui teslametru (domeniul 0,1T) inducţia câmpului magnetic din întrefier la care cuplează respectiv decuplează comutatorul magnetic (bobina de pe miez se alimentează cu un curent pâna la 1A). Cu ajutorul celor două valori ale inducţiei magnetice se determină histereza senzorului. • Se determină distanţa minimă de siguranţă la care se poate fixa senzorul pentru a utiliza ca traductor de turaţie. • Se verifică funcţionarea senzorului la ecranarea câmpului magnetic introducând între senzor şi sursa de câmp un obiect metalic respectiv nemetalic. • Se verifică funcţionarea senzorului prin concentrarea câmpului. Pentru acesta se plasează senzorul într-un câmp slab apoi se apropie un material feromagnetic în spatele senzorului. • Datele obţinute şi observaţiile făcute se vor nota!

Senzorul de miscare cu infrarosu (PIR) Senzorul de miscare cu infrarosu (PIR) este conceput pentru a detecta deplasarea fiintelor vii, cu sange cald, cu o masa mai mare de 8-10Kg. Unghiurile de detectie sunt de aprox. 110 grade pe orizontala si 60 de grade pe verticala. Eficacitatea maxima in detectia miscarii este atinsa atunci cand aceasta miscare este pe o directie transversala fata de axa senzorului. Ca o consecinta, daca intentionati sa asigurati o fereastra (spre exemplu), pozitia optima a senzorului este pe peretele lateral, in apropierea ferestrei, astfel incat senzorul sa “b ata” de-a lungul ferestrei.

Incercati sa evitati orientarea senzorilor de miscare direct catre ferestre. De asemenea, daca este necesara amplasarea a 2 sau mai multi senzori intr-o singura camera, acestia nu trebuie sa “se vada” unul pe celalat in mod direct, si, pe cat posibil, nici prin intermediul unor suprafete reflectorizante.

Detectorii sunt componente ale sistemului de alarma, care reactioneaza la anumiti factori din mediu. Ei monitorizeaza permanent valorile parametrului urmarit, si cand acestea depasesc un prag prestabilit, transmit centralei semnalul de alarma. Dupa modul in care prelucreaza informatiile culese din mediu, detectorii pot fi analogici sau digitali. Cei digitali asigura o detectie mai exacta si o rata mult mai scazuta de alarme false. In functie de stimulul la care reactioneaza, detectorii se diferentiaza astfel: de miscare, care sesizeaza miscarea unui organism viu.; de geam spart, care reactioneaza la zgomotul facut de sticla ce se sparge; de soc, care se folosesc, de exemplu, la casele de bani; de fum, pentru avertizarea precoce a incendiilor; de gaz, pentru semnalizarea scurgerilor de gaze; etc. Senzorii de miscare sunt cel mai mult folositi. Exista detectori care se preteaza numai in interior, cei pentru exterior trebuind sa aiba caracteristici speciale. Detectorii de exterior sunt foarte utili, deoarece semnalizeaza tentativele de efractie inainte de patrunderea in imobil. Un astfel de detector este DG85, digital, al firmei Paradox, Canada. Diferitele marci de detectori de miscare se diferentiaza in principal prin volumul (spatiul) pe care il acopera, prin geometria fascicolului de raze, prin viteza de raspuns, prin modul de analiza a semnalului (analogic sau digital). La fabricarea senzorilor se folosesc diferite tehnologii avansate, pentru ca acestia sa asigure o detectie cat mai eficienta, cu o rata de alarme false cat mai scazuta. Acelasi rol il are si functia Pet Immunity, care permite folosirea detectorului in spatiile unde exista caini, pisici sau alte animale mici. Detectorii de miscare sunt activi atata timp cat sistemul este armat