Laboratorijska vježba 1

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________ Induktivni, kapacitivni, optiki i ultrazvunisenzori prisutnostiCilj vježbe: Upoznavanje sa senzorima prisutnosti i snimanje njihovihkarakteristikaSenzori prisutnosti (engl. proximity sensors) koriste se za detekciju prisutnostipredmeta u blizini senzora. Na svom izlazu, oni putem naponskih razina dajubinarnu informaciju o prisutnosti (npr. '0' – predmeta nema, '1' – predmetprisutan). Po svom fizikalnom principu rada, ti se senzori dijele na magnetske,induktivne, kapacitivne, optike, ultrazvune i pneumatske.U ovoj se vježbi promatraju karakteristike nekih od njih. Jedna od najvažnijihkarakteristika senzora je udaljenost predmeta od senzora pri kojoj se mijenjastanje izlaza senzora i naziva se udaljenost promjene (engl. switchingdistance).Induktivni senzori rade na principu promjene induktiviteta zavojnice u LCtitrajnom krugu. Visokofrekvencijsko magnetsko polje zavojnice se zbogupotrebe poluotvorene feritne jezgre dijelom nalazi i u zraku (sl. 1.1.).Unošenje metalnog objekta u dio magnetskog polja koji je u zraku rezultirapromjenom induktiviteta zavojnice, a time i promjenom amplitude i frekvencijetitranja LC kruga. Druga mogunost interpretacije ove pojave je induciranjekružnih struja u metalnom objektu, koje izvlae energiju za titranje iz titrajnogkruga, pritom smanjujui amplitudu i frekvenciju oscilacija. Okidni sklop shisterezom u senzoru detektira te promjene i u odreenoj toki mijenja stanjeizlaza senzora._____________________________________________________________________1

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________ Sl.1.1. Princip rada induktivnog senzora prisutnostiUnese li se materijal u elektrino polje izmeu ploa kondenzatora, kapacitetkondenzatora se mijenja ovisno o obliku i relativnoj dielektrinoj konstantiunešenog materijala. Promijeni li se kapacitet kondenzatora u RCrezonantnom krugu, mijenjaju se i titrajna svojstva toga kruga, tj. amplituda ifrekvencija titranja. Te promjene se, slino kao i kod induktivnih senzora,detektiraju sklopom s histereznim svojstvima iji je izlaz binarni.Elektrode kondenzatora su: tzv. aktivna elektroda na senzoru i pasivna, tj. svaokolica na potencijalu zemlje. Da bi promjena kapaciteta bila uoljiva, predmetse mora unijeti dovoljno blizu aktivnoj elektrodi, gdje su silnice elektrinogpolja kondenzatora još relativno guste. Optiki senzori koriste fotoelektrina svojstva pojedinih poluvodikihmaterijala, tj. mogunost pretvorbe elektrinog signala u svjetlost (LED) imogunost promjene vodljivosti poluvodikog materijala obasjanog svjetlošu(fotodiode i fototranzistori). Za emitiranje svjetlosti pomou LED služi odašilja(engl. emitter), a za primanje koristei fotodiodu ili fototranzistor prijemniksvjetlosti (engl. receiver). Tri su osnovne vrste optikih senzora: difuzijski(engl. diffuse sensors), retro-reflektirajui (engl. retro-reflective sensors) isenzori s prolaznom zrakom (engl. through-beam sensors). Difuzijski senzori(slika 1.2.a) detektiraju svjetlost reflektiranu od objekta kojeg se trebadetektirati, retro-reflektirajui (slika 1.2.b) i senzori s prolaznom zrakom (slika1.2.c) detektiraju objekt ako on sprijei put zrake svjetlosti od odašiljaa doprijemnika._____________________________________________________________________2

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Sl. 1.2.a. Princip rada optikogdifuzijskog senzora prisutnostiSl. 1.2.b. Princip rada optikogretro-reflektirajueg senzoraprisutnostiSl. 1.2.c. Princip rada optikog senzora prisutnosti s prolaznom zrakomKod retro-reflektirajuih senzora put od odašiljaa do prijemnika ide prekonekog reflektirajueg elementa, pa se odašilja i prijemnik mogu nalaziti ujednom kuištu, kao i kod difuzijskih senzora. Kod senzora s prolaznomzrakom odašilja i prijemnik su u zasebnim kuištima jer neometenasvjetlosna zraka ide direktno sa odašiljaa na prijemnik. Na optike sesenzore u pravilu lako dograuje optiki kabel. Dodatno se, radi zaštite odlažnih detekcija, svjetlosni signali na strani odašiljaa kodiraju, kako bi se naprijemniku lakše razluila svjetlost iz odašiljaa od svjetlosti nastale u raznimdrugim izvorima svjetlosti. Ultrazvuni senzor odašilje zvuni val u ultrazvunom frekvencijskompodruju, te prima taj isti reflektirani val s objekta ukoliko je objekt prisutan.Medij prijenosa zvunog vala je naješe zrak. Znajui brzinu širenja zvuka,može se utvrditi i udaljenost predmeta, a ne samo prisutnost. Slika 1.3. dajeprikaz zvunog konusa kojeg stvara senzor, a slika 1.4. daje prikaz amplitudezvunog vala u ravnini senzora pri detekciji._____________________________________________________________________3

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Sl. 1.3. Prikaz zvunog konusa kojeg stvara ultrazvuni senzorSl. 1.4. Prikaz zvunog vala u aktivnoj ravnini senzora pri detekciji_____________________________________________________________________4

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________ Vježba 1.1. Udaljenost promjene induktivnog senzora prisutnosti kodrazliitih vrsta i površina metalnih test-objekataZa razne materijale mjeri se udaljenost promjene induktivnog senzora. Prikazrazmještaja komponenata potrebnih za izvoenje vježbe dan je na slici 1.1.1.Komponente su tablino dane u tablici 1.1.1.Sl. 1.1.1. Postav aparature za vježbu 1.1.Naziv i šifra komponenteNapajanje, D.ER-VERT-SENSOR(komponenta br. 1. na slici 1.1.1.)Komponenta za pozicioniranje, D.ER-VS-FP1110(komponenta br. 2. na slici 1.1.1.)Pomino mjerilo, D.AS-MSInduktivni senzor 1, D.ER-SIEH-M18B-..(komponenta br. 3. na slici 1.1.1.)Test-objekt, meki elik (St 37),komad br. 3Test-objekt, nehrajui elik,komad br. 4Test-objekt, aluminij,komad br. 5_____________________________________________________________________5

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Test-objekt, mjed,komad br. 6Test-objekt, bakar,komad br. 7Test-objekt, meki elik (St 37), 30 mm × 30 mm,komad br. 11Test-objekt, meki elik (St 37), 25 mm × 25 mm,komad br. 12Test-objekt, meki elik (St 37), 20 mm × 20 mm,komad br. 13Test-objekt, meki elik (St 37), 15 mm × 15 mm,komad br. 14Test-objekt, meki elik (St 37), 10 mm × 10 mm,komad br. 15Test-objekt, meki elik (St 37), 5 mm × 5 mm,komad br. 16Tab. 1.1.1. Potrebne komponente za vježbu 1.1.Postavite komponente prema slici 1.1.1. Induktivni senzor 1 (D.ER-SIEH-M18B-..) treba postaviti centralno ispred komponente za pozicioniranje (D.ER-VS-FP1110). Test-objekte valja uvrstiti u utor na komponenti zapozicioniranje i izmjeriti udaljenost na kojoj senzor detektira prisutnostpredmeta (toka ukljuenja, engl. switch-on point), te potom udaljenost nakojoj, po ukljuenju, senzor prestaje registrirati prisutnost predmeta (tokaiskljuenja, engl. switch-off point). Razlika ovih dviju udaljenosti predstavljahisterezu (engl. hysteresis) koju takoer valja odrediti. Konano treba odreditii tzv. faktor redukcije (engl. reduction factor) kao odnos udaljenosti ukljuenjaza neki materijal i udaljenosti ukljuenja za meki elik. Sve izmjerene iizraunate podatke unesite u tablicu 1.1.2.Test-objektMeki elik (St 37),komad br. 3Nehrajui elik,komad br. 4Aluminij,komad br. 5Mjed,komad br. 6Bakar,komad br. 7Tokaukljuenja(mm)Tokaiskljuenja(mm)Tab. 1.1.2. Rezultati eksperimentaHistereza(mm)Faktorredukcije1.00_____________________________________________________________________6

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Zašto dolazi do razlika u udaljenosti ukljuenja kod raznih materijala?Odgovor:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Može li se induktivnim senzorom detektirati isti izolator i zašto?Odgovor:__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________U nastavku se razmatra utjecaj veliine površine test-objekta na tokuukljuenja induktivnog senzora prisutnosti. Svi test-objekti bit e od istogmaterijala, mekog elika. Induktivni senzor valja udaljiti za oko 5 cm u stranuod centra komponente za pozicionranje.Za komade mekih elika raznih površina unesite dobivene udaljenosti nakojima se ukljuuje senzor prisutnosti u tablicu 1.1.3.Komad i veliina bridaToka ukljuenja (mm)Meki elik (St 37), 30 mmkomad br. 11,Meki elik (St 37), 25 mmkomad br. 12Meki elik (St 37), 20 mmkomad br. 13Meki elik (St 37), 15 mmkomad br. 14Meki elik (St 37), 10 mmkomad br. 15Meki elik (St 37), 5 mmkomad br. 16Tab. 1.1.3. Rezultati mjerenjaObjasnite rezultate mjerenja:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________7

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Vježba 1.2. Udaljenost promjene kod kapacitivnih senzora prisutnosti,ovisnost o vrsti materijala i njegovoj debljiniAparaturu treba postaviti prema slici 1.2.1, lista potrebnih komponenti dana jeu tablici 1.2.1.Sl. 1.2.1. Postav aparature za vježbu 1.2.Naziv i šifra komponenteNapajanje, D.ER-VERT-SENSOR(komponenta br. 1. na slici 1.2.1.)Komponenta komponenta za pozicioniranje, br. 2. na slici D.ER-VS-FP11101.1.1.)(komponenta br. 2. na slici 1.2.1.)Pomino mjerilo,D.AS-MSKapacitivni senzor, D.ER-KAS-M12-..(komponenta br. 3. na slici 1.2.1.)Test-objekt, meki elik (St 37),90 mm × 30 mm, komad br. 3Test-objekt, nehrajui elik,90 mm × 30 mm, komad br. 4Test-objekt, aluminij,90 mm × 30 mm, komad br. 5Test-objekt, mjed,90 mm × 30 mm, komad br. 6_____________________________________________________________________8

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Test-objekt, bakar,90 mm × 30 mm, komad br. 7Test-objekt, karton90 mm × 30 mm, komad br. 8Test-objekt, guma,90 mm × 30 mm, komad br. 9Test-objekt, plastika, prozirna,90 mm × 30 mm, komad br. 10Test-objekt, plastika,2 mm debela, komad br. 23Test-objekt, plastika,3 mm debela, komad br. 24Test-objekt, plastika,5 mm debela, komad br. 25Test-objekt, plastika,8 mm debela, komad br. 26Test-objekt, plastika,11 mm debela, komad br. 27Test-objekt, plastika,14 mm debela, komad br. 28Test-objekt, plastika,17 mm debela, komad br. 29Tab. 1.2.1. Popis potrebne aparature za vježbu 1.2.Koristei meki elik treba potenciometrom na senzoru namjestiti udaljenostpromjene na 8 mm. Nakon toga provesti mjerenja za sve ostale materijale, arezultate unesti u tablicu 1.2.2.Test-objektMeki elik (St 37),komad br. 3Nehrajui elik,komad br. 4Aluminij,komad br. 5Mjed,komad br. 6Bakar,komad br. 7Karton,komad br. 8Guma,komad br. 9Plastika, prozirna,komad br. 10Tokaukljuenja (mm)Tokaiskljuenja (mm)Tab 1.2.2. Rezultati mjerenjaHistereza(mm)_____________________________________________________________________9

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Sl. 1.3.2. Postav aparature za mjerenja s optikim kabelomKomponentu za pozicioniranje treba postaviti 5 cm ispred i 5 cm u stranu uodnosu na slobodni kraj polimerskog optikog kabela, a potenciometarsenzora namjestiti tako da se bijela strana sive Kodak kartice registrira namaksimalnoj udaljenosti. Rezultate mjerenja za ostale materijale unijeti utablicu 1.3.2. Koristite i pomino mjerilo, kao u prvoj vježbi.Koje su prednosti, a koje mane korištenja optikog kabela?Odgovor:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________14

PROCESNA MJERENJA – Vježba 1._____________________________________________________________________Test-objekt, guma,90 mm × 30 mm, komad br. 9Test-objekt, plastika, prozirna,90 mm × 30 mm, komad br. 10Tab. 1.4.1. Popis potrebne aparatureNa udaljenost oko 15 cm ispred ultrazvunog senzora postavljati test-objekte,tako da im površina bude okomita na os senzora, navesti detektira li ih senzori pod kojim maksimalnim kutom otklona od ravnine okomite na os senzorasenzor još uvijek detektira test-objekt. Rezultate unesite u tablicu 1.4.2.Test-objektMeki elik (St 37),komad br. 3Nehrajui elik,komad br. 4Aluminij,komad br. 5Mjed,komad br. 6Bakar,komad br.7Karton,komad br. 8Guma, hrapava strana,komad br. 9Plastika,komad br. 10Detekcija (da/ne)Tab 1.4.2. Rezultati mjerenjaMaksimalni kutotklona (°)Koja je prednost ultrazvunih senzora u odnosu na ostale govorei u svjetluvrsta materijala koje se mogu senzorom detektirati?Odgovor:_________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Objasnite vezu izmeu hrapavosti površine test-objekta i njegovogmaksimalno mogueg otklona u odnosu na ravninu okomitu na os senzora.Odgovor:_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________16