seminarska naloga vrtilna hitrost -...

UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO

Seminarska naloga

VRTILNA HITROST (merjenje s Hallovo sondo, kapacitivnim senzorjem, induktivnim senzorjem in AMR

senzorjem)

Pri predmetu MERILNI PRETVORNIKI

Ljubljana, 05.05.2011 Kos Miran, 64080044 Kren Jože, 64080060

Kos, Kren Vrtilna hitrost MP

2

Kazalo

1. Uvod ................................................................................................................................... 3

2. Hallov senzor ...................................................................................................................... 4

2.1 Zgradba in delovanje ................................................................................................... 4

2.2 Lastnosti Hallove sonde ............................................................................................... 5

2.3 Merjenje vrtilne hitrosti ............................................................................................... 5

2.4 Delovanje ..................................................................................................................... 6

2.5 Tipi senzorjev .............................................................................................................. 7

2.5.1 Ničelni hitrostni senzor (HS) ................................................................................ 7

2.5.2 Senzor hitrosti in smeri (HD) ............................................................................... 7

2.5.3 Senzor za merjenje hitrosti s kvadratnim izhodom (HQ) ..................................... 8

2.5.4 Ostalo ................................................................................................................... 9

3. Kapacitivni senzor .............................................................................................................. 9

3.1 Merjenje vrtilne hitrosti ............................................................................................. 10

4. Induktivni senzor .............................................................................................................. 10

4.1 Induktivni senzor z oscilatorjem ................................................................................ 11

5. AMR senzor (anizotropni magnetni senzor) .................................................................... 12

5.1 Zgradba ...................................................................................................................... 12

5.2 Merjenje vrtilne hitrosti ............................................................................................. 13

6. Sklep ................................................................................................................................. 14

7. Viri in literatura ................................................................................................................ 15


3

1. Uvod

Vrtilna hitrost je pomemben parameter rotirajočih delov s katerim lahko ugotovimo v katerem

stanju se rotirajoče telo nahaja (miruje, pospešuje, zavira ali se vrti s konstantno hitrostjo). Ta

pridobljeni podatek lahko prikazujemo kot vhodni podatek za krmiljenje katerega izmed

industrijskih procesov, kot parameter regulacije katerega postroja (turbinska regulacija).

Narekuje tudi delovanje varnostnih sistemov, kot je ABS v avtomobilih.

Merimo zato, da pridobimo objektiven in ponovljiv podatek o velikosti, množini in jakosti

fizikalnih veličin kot so dolžina, čas, napetost, tok, moč, hitrost,…

Merimo zato, da preverimo, če proizvodi dosegajo ustrezno kvaliteto, da je porabo sredstev

čim manjša in finančni prihranek velik, da pridobimo potrebne podatke za nadaljnje odločitve

pravilne ugotovitve cen posameznih proizvodov.

Aktualni senzorji:

Hall-ov senzor

Kapacitivni senzor

Induktivni senzor

AMR senzor

Senzorji se uporabljajo za zaznavanje feromagnetnih (kovinskih) objektov, merilnih

inštrumentov s katerimi zaznavamo njihov odziv, ter o njihovem povezovanju, za uporabo v

aplikacijah merjenja vrtilne hitrosti…


4

2. Hallov senzor

2.1 Zgradba in delovanje

Hallov senzor oz. efekt je bil odkrit leta 1879. Ime je dobil po Edvinu Hallu, kateri ga je tudi

odkril. Hall je opazil tudi zanimivo lastnost, če se polprevodnik nahaja v nekem zunanjem

magnetnem polju in skozi njega teče enosmerni električni tok, deluje na nosilce naboja (vrzeli

in elektrone) neka dodatna sila, ki ji pravimo Lorenzova sila. Naboji se začnejo zaradi te sile

premikati na tisto stran polprevodnika, ki jo določa smer magnetnega pola. Zaradi dodatnega

premika nabojev se pojavi električno polje med različnimi deli polprevodnika. Na stranicah se

kopiči električni naboj toliko časa, dokler sila električnega polja ni neka Lorenzovi sili.

Slika1: Hallov senzor

Napetost med skrajnima deloma polprevodnika je Hallova napetost (UH). Večja je napetost

polprevodnika, bolj je tehnično uporabna. V praksi to pomeni, da je razmerje med dolžino l in

širino d čim večje.


5

2.2 Lastnosti Hallove sonde

Napajalni tok sonde je odvisen od njene debeline in znaša od nekaj 10 mA do 100 mA. Potek

izhodne napetosti je v odvisnosti od magnetnega polja B nelinearen. Karakteristiko pa lahko

razdelimo na linearni in nelinearni del, pri čemer je uporaben samo linearni. Značilna pa je še

velika temperaturna odvisnost izhodne napetosti UH.

Slika 2: Potek izhodne napetosti v odvisnosti od magnetnega polja

2.3 Merjenje vrtilne hitrosti

Hallov senzor zagotavlja zanesljivo in cenovno ugodno rešitev za merjenje vrtilne hitrosti osi.

Deluje na principu zaznavanja magnetnega polja B, zato se dobro obnese v slabih razmerah

kot so prah, olje in drugi viri onesnaženja. Ker v naravi redko najdemo magnetna polja večjih

jakosti, se te vrste senzorji dobro odnesejo glede nezaželenih motenj.

Feromagnetni zobniki predstavljajo najbolj pogost material, na katerem zaznavamo vrtilno

hitrost. Takšen senzor lahko uporabimo tudi za zaznavanje vijakov ali kovinskih verig. Dobro

se obnese tudi, če je del kovine na nekem neferomagnetiku. Obstaja veliko različnih izvedb

senzorja za zaznavanje kovinskih zob. Pregledali bomo nekaj izvedb, ki temeljijo na uporabi

Hallovega senzorja.


6

2.4 Delovanje

Hallov element je nameščen pred magnet, ki ustvarja magnetno polje. Ko gre zob mimo

senzorja, povzroči povečanje magnetnega polja skozi Hallov element. Ko senzor prečka

presledek med zobmi zobnika se magnetno polje skozi Hallov element zmanjša. Z nastavitvijo

ustreznega pragu, zaznavamo prisotnost zoba, vendar ta določitev predstavlja ključni problem

takšnega tipa senzorja. V praksi, zato senzorji, ki uporabljajo tak pristop, običajno vsebujejo

vezje, ki dinamično prilagaja pragovno vrednost, glede na polje ki ga dejansko zaznavamo.

Drug način izvedbe senzorja deluje na principu zaznavanja gradienta. Ta izvedba ustreza

aplikacijam pri katerih je nujno poznati točen položaj roba zoba, ki prečka senzor. Pri prej

opisanem tipu senzorja, je detekcija zavisela od oddaljenosti senzorja do zoba in od

nastavljene vrednosti praga. Merjenje gradienta, nam zagotovi dobro informacijo o tem, kje se

nahaja rob zaznanega zoba. Gradient je v praksi težko meriti, vendar se zelo dober rezultat

pridobi z odštevanjem dveh izhodov senzorjev nameščenih zelo blizu skupaj. Signala

pridobljena iz posameznih senzorjev sta po obliki podobna prejšnjemu tipu senzorja, vendar

pa se informacija skriva v dejstvu, da istočasno vidita vsak svoj del opazovanega objekta.

Odštevanje signalov kaže v signal, ki prikazuje kje se nahaja rob iskanega zoba. Za

zagotovitev dobrega signala je potrebno zelo dobro ujemanje občutljivosti obeh senzorjev.

Slika 3:Hallov element na zobnikih


7

2.5 Tipi senzorjev

2.5.1 Ničelni hitrostni senzor (HS)

Brezkontaktni magnetni senzor, ki meri popačenje magnetnega polja, ustvarjenega preko

feromagnetnega objekta. Ti senzorji zagotavljajo zelo natančne meritve gibanja, tudi ob

mirovanju. Ravno zaradi takšnih lastnosti so zelo dobro za merjenje hitrosti. Ena izmed

dobrih lastnosti teh senzorjev je digitalni izhod, pri katerem je amplituda signala konstantna,

tudi če spremenimo hitrost.

Taka vrsta senzorjev se uporablja predvsem v avtomobilih (hitrost motorja, dinamometer,

ročična gred), v električnih generatorjih (hitrost motorja, merjenje pretoka).

Slika 4: Ničelni hitrostni senzor

2.5.2 Senzor hitrosti in smeri (HD)

Brezkontaktni senzor, ki meri popačenje magnetnega polja in nam zagotavlja natančno

meritev hitrosti in smeri. Za razliko od prejšnega ima ta dva digitalna izhoda. Prvi meri hitrost

kolesa, drugi pa nam pove v katero smer se vrti. Odvisno od smeri vrtenja dobimo tudi

končen rezultat, ki je lahko logična ena (1) ter logična nič (0).

Uporablja se v iste namene kot prejšna različica senzorja.


8

Slika 5: Senzor hitrosti in smeri

2.5.3 Senzor za merjenje hitrosti s kvadratnim izhodom (HQ)

Še eden izmed brezkontaktnih senzorjev, ki meri popačenje magnetnega polja,

feromagnetnega merjenca. Uporabljajo se za merjenje hitrosti in smeri. Imajo dva digitalna

izhoda, ki zagotavljata po en signal na izhod. Oba signala nakažeta smer v katero se vrti, en

signal pa informacijo o hitrosti. Če se vrti v smeri urinega kazalca, prvi signal prehiteva

drugega in obratno.

Slika 6: Senzor za merjenje hitrosti s kvadratnim izhodom


9

2.5.4 Ostalo

Senzorje se najde tudi v disketnih enotah, ABS, videorekorderju, CD pogon….

Slika 7: Hallov senzor v CD pogonu

3. Kapacitivni senzor

V današnjem času so ti senzorji zelo razširjeni in uporabni glede na svojo izvedbo oz.

delovanje. Princip delovanja temelji na merjenju spremembe električne kapacitivnosti v RC

vezju, glede na približevanje različnih materialov (tudi neferomagnetnih). Kapacitivno stikalo

ustvari električno polje med aktivno elektrodo in maso. V primeru, da postavimo nek objekt v

njegovo bližino, se spremeni kapacitivnost v RC vezju. Ta povzroči spremembo frekvence

oscilatorja. Glede na stanje frekvence se na izhodu pretvori signal v stanje ena ali nič. Takšna

izvedba bi bila primerna za štetje zob.

Slika 8:Shema kapacitivnega senzorja


10


Za merjenje vrtilne hitrosti se takšen senzor ne uporablja tako pogosto. Uporablja se

predvsem tam, kjer so potrebne velike ločljivosti merjenja ter pri materialih, ki imajo slabe

magnetne lastnosti.

Slika 9: Vrtilna hitrost s kapacitivnim senzorjem

4. Induktivni senzor

V današnjem času so približevalna stikala v industriji nepogrešljiva. V primerjavi z

mehanskimi ponujajo idealne pogoje pri delu brez dotika in obrabe. Imajo dokaj visoko

preklopno frekvenco in natančnost. So neobčutljivi na vibracije ter vlago ter brezdotično

zaznavajo vse kovine. So dokaj enostavni za uporabo ter imajo spremenljivo ceno.

Primerni so predvsem v industrijah, kjer zaznavajo več vrst premikov. Najbolj znan senzor je

VR senzor, ki deluje na principu spremenljive reluktance.

V senzorju je navita tuljava okrog cilindričnega feromagnetnega materiala, kateremu je dodan

magnet. Magnet skozi jedro in navitje povzroči magnetno polje, katero izstopa skozi jedro. Če

se feromagnetni material premika pred konico senzorja, se fluks zaključi po drugi strani, polje

skozi tuljavo se spremeni, kar se vidi v inducirani napetosti na tuljavi.

Senzorji so pasivni elementi in ne potrebujejo napajanja za generiranje izhodnega signala.


11

Slika 10: Induktivni senzor-merjenje amplitude

Amplituda signala je določena s hitrostjo vrtenja

. Pomembna pa je tudi oddaljenost

senzorja od zračne reže.

Slika 11: Inducirana napetost v odvisnosti od zračne reže

4.1 Induktivni senzor z oscilatorjem

Danes poznamo senzorje, ki delujejo brez magneta in se imenujejo aktivni senzorji. Za

zaznavanje feromagnetnega materiala uporabljajo princip spremembe induktivnosti dušilke.

Vgrajen oscilator povzroči visoko frekvenčno magnetno polje, v katerem se zaradi bližine

feromagnetika ustvarijo izgube, kar se prikazuje kot padec amplitude v nihajnem krogu.

Izhodni ojačevalnik preklopi logično stanje nič ali ena na izhodu. To spremembo pa zazna

Šmitov prožilnik, ki vrne senzor v odprt ali zaprt položaj.


12

5. AMR senzor (anizotropni magnetni senzor)

AMR senzorji so za razliko od magnetnih uporov in GMR senzorjev namenjeni predvsem

merjenju in zaznavanju šibkih magnetnih polj (med 10-9

T do 10-3

T). V praksi se uporabljajo

za merjenje magnetnega polja in zaznavanje anomalije magnetnega polja zaradi prisotnosti

drugih feromagnetnih materialov (detekcija avtomobilov, detekcija kovin, iskanje rud).

Omenjeni senzor se uporablja tudi za merjenje tokov in kot bralna glava v kasetnikih in

disketnih pogonih.

5.1 Zgradba

AMR senzor je zgrajen iz polprevodniške tanke silicijeve rezine, na katero je nanešena zlitina

niklja (Ni) in železa (Fe). Nanos zlitine je oblikovan v obliki uporovnega traku. Ker je

sprememba upornosti takšnega traku v prisotnosti zunanjega polja le 2-3%, je senzor običajno

sestavljen iz štirih uporovnih trakov, ki predstavljajo Wheatstonov mostič. Napetost na

diagonalah, ki je premosorazmerna zunanjemu magnetnemu polju, je ojačena s pomočjo

instrumentacijskega ojačevalnika. Na takšen način je možno zaznavati jakost in smer

magnetnega polja vzdolž ene smeri senzorja.

Slika 12: AMR senzor v obliki Wheatstonovega mostiča


13


Kot vsi senzorji, je tudi AMR senzor občutljiv na spremembo magnetnega polja, ki popači

merilno točnost. Ta vpliv je v AMR senzorjih še močnejši, saj lahko močnejše tuje vzbujanje

uniči usmerjenost posameznih magnetnih domen, s katerim se spremeni vektor magnetne

polarizacije. Za odpravljanje teh težav, je okrog senzorja nameščeno krmilno navitje. Z

močnim kratkotrajnim impulzom se naključno orientirane domene postavijo vzdolž smeri

senzorja in tako odpravijo nezaželene posledice.

AMR senzor se pojavlja v manjših napravah kjer niso prisotna magnetna polja večjih jakosti.

Največkrat jih najdemo v računalnikih (trdi disk, disketni pogoni). V industrijskih obratih in

postrojih, kot samostojen člen, pa ga srečamo poredkoma, zaradi prisotnosti velikih motenj.

Slika 13: AMR senzor v povezavi z zunanjim magnetom

Takšen senzor je sposoben zagotavljati signal tudi pri zelo nizkih vrtilnih hitrostih, kar je

uporabo pri:

Navigacija avtomobila

ABS

Kontrola menjalnika

Sam izhodni signal senzorja se ne spreminja s spremembo hitrosti, zato se takšni senzorji

praviloma uporabljajo v kontrolnih enotah.


14

6. Sklep

Dandanes je na razpolago mnogo načinov kako meriti vrtilno hitrost. Najbolj pomembno je

kakšne so zahteve merjenja in v katerih pogojih bojo naprave obratovale. Na podlagi tega je

izbor senzorjev odvisen tudi od vrtilne hitrosti. Najbolj primerni so Hallov senzor ter

induktivni senzor.

Ti senzorji so namenjeni za obratovanje v težkih temperaturnih pogojih, v prisotnosti

umazanij, hladilnih tekočin in so odporni na morebitne motnje.

Osnovnemu VR senzorju se običajno dodajo dodatna elektronska vezja s katerimi se izhodni

sinusni signal preoblikuje v digitalno obliko, s katerim je prenos oziroma obdelava podatkov

enostavnejša. VR senzor lahko deluje tudi pri temperaturi 300°C ali več, zato se uporablja pri

merjenju hitrosti v turbinah reaktivnega letalskega motorja.

Hallov senzor nam omogoča merjenje malih hitrosti ali celo prepoznavanje prisotnosti telesa.

V večini Hallovih senzorjev se na izhodu oblikuje digitalni signal, ki je kompatibilen z

digitalno logiko ter mikrokontrolerji. Povezava med merilnim delom senzorja in signal-

procesnim delom so zelo kratki. To povzroči, da postane senzor popolnoma nedovzeten za

elektromagnetne motnje, ki bi vplivale na točnost ali povzročale okvaro senzorja. Posebnost

pa je tudi, da delujejo pri temperaturnem razponu med -40°C in 150°C.


15

7. Viri in literatura

Vanja Ambrožič, David Nedeljković: UVOD V PROGRAMIRLJIVE

KRMILNE SISTEME, založba FE, Ljubljana 2005

Merjenje vrtilne hitrosti in zasukov, Anže Kumer, Rok Jamnik

Moderno proizvodno inženirstvo-priročnik, Ivan Anžel, založba Grafis Trade

d.o.o.,Ljubljana 2010

http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

http://slo-tech.com/forum/t127419

http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page

http://slo-tech.com/forum/t127419

seminarska naloga vrtilna hitrost -...

Documents