VIK Lezing: SensortechnologieDetecteren wordt meten
Maart 2011 L.Bervoets pagina 2
Overzicht
1. Inleiding2. Materiaaldetectie3. Voor veraf en kortbij4. Rotatiesnelheid en hoekverdraaiing.5. Helling en versnelling6. De link naar buiten.7. Vragen & bedenkingen
Maart 2011 L.Bervoets pagina 3
1. Een korte historiek
1958 : De eerste contactloze sensor
Maart 2011 L.Bervoets pagina 4
1. Toepassingsdomeinen voor sensoren
Fabrieksautomatisering- stukgoedbehandeling, material handling- automobielindustrie- mobile equipement- verpakkingindustrie & druknijverheid- ...
Procesautomatisering- chemie- farmaceutica / life science- voedingsnijverheid- ...
Maart 2011 L.Bervoets pagina 5
1. Sensortechnologie in moderne machines:
Rendenmentsverbetering
Flexibiliteit
Nieuwe trends:
Steeds meer sensoren met meer mogelijkheden.
Hogere automatiseringsgraad
Maart 2011 L.Bervoets pagina 6
1. Welke principes voor welke toepassingen.
Inductieve sensoren
Magnetische sensoren
Capacitieve sensoren
Optische sensoren
Ultrasoon-sensoren
Draaiimpuls-gevers
Materiaal Enkel metalen Enkel magneten
Geleidende en niet geleidende producten
Reflecterende doorzichtige tot transparante objecten
Reflecterende objecten
-
Schakelafstand Kort(0,6 tot 75mm)
Kort(20 tot 60 mm)
Kort (4 tot 20 mm)
Groot (van 4mm tot 250m)
Middelgroot (van 100mm tot 10m)
Omgevings-factoren
Magnetische velden
Magnetische velden
Elektrische velden
Omgevingslicht & vervuiling
Ultrasoon geluid
Trillingen
Schakel- frequentie
Hoog Hoog Hoog Zeer hoog Laag Zeer hoog
Bouwvorm Standaard en fabricant specifiek
Standaard en fabricant specifiek
Standaard en fabricant specifiek
Fabricant specifiek
Fabricant specifieke
Standaard en fabricant specifiek
Andere Prijsgunstig - - Hoge precisie All round sensor
-
Maart 2011 L.Bervoets pagina 7
2. Materiaaldetectie
Inductieve koppeling
Magnetische velden
Elektrische velden
Magnetische permeabiliteit
Magnetische flux
Diëlektricum
Oscillerende RLC-keten
Relatief kort bereik
Maart 2011 L.Bervoets pagina 8
2. Werkingsprincipe inductieve sensoren
L
Rv
C
Veréénvoudigd schema RLC-keten.
V
2V
V
2V
R1
CLQ is R
CL voor ,
R
RCL
LC Qfactor Kwaliteits
Q
f
Geen bedempingsvaanIjzer-houdende bedempingsvaanNon ferro metalen
Schakelpunt
ZR Rev
Maart 2011 L.Bervoets pagina 9
2. Blokschema inductieve sensoren
Onbedempt Bedempt
Maart 2011 L.Bervoets pagina 10
2. Schakelafstanden en reductiefactoren
Su min. Su min. + HysteresisSr min.
Object
Sn
Sr max.
Su max.
Sr min. + Hysteresis
Sn + HysteresisSr max. + HysteresisSu max. + Hysteresis
Sa
Steel Fe 360 (St37) (1)
Stainless steel V2A (0.65 ... 0.85)
Bronze (0.25 ... 0.55)
Aluminium (0.2 ... 0.5)Copper (0.15 ... 0.45)
sa
Maart 2011 L.Bervoets pagina 11
2. Toepassing: standmelding grijper
Maart 2011 L.Bervoets pagina 12
2. Toepassing: standmelding kleppen
Klepstanddetectie
Open-oplossing
Maart 2011 L.Bervoets pagina 13
2. De aanloop naar inductieve positiebepaling.
V
2V
R
RCL
LC Q
Maart 2011 L.Bervoets pagina 14
2. Inductieve positiebepaling
Target
U[V]
Maart 2011 L.Bervoets pagina 15
2. Opbouw inductieve positiesensor
Maart 2011 L.Bervoets pagina 16
2. Werking inductieve positiesensor
Elektrisch signaal
I/U
x
transfertfunctie
Fysische opname
Positiedetectievaan
Analoge uitgang
Maart 2011 L.Bervoets pagina 17
2. Analoog signaal: inductieve positiesensor
4.0mA
20.0mA
meetbereik (80mm)
Maart 2011 L.Bervoets pagina 18
2. Digitaal signaal: inductieve positiesensor
0V / 4mA 10V / 20mA
0V
Ub (-0,7)
S1 S2
0mm x-positie (S1)
x-positie (S2)
Absolute X – positie [mm]
schakelvensterX-positie ± 1mm, hysteresis ± 0.4mm
venster ± 1mm
hystresis 0.4mm
target
Maart 2011 L.Bervoets pagina 19
2. Alternatief voor de nokkenschakelaar
Maart 2011 L.Bervoets pagina 20
2. Gecodeerde inductieve positiebepaling
Maart 2011 L.Bervoets pagina 21
2. Magnetische sensoren
KernAmorf metaal
Behuizing Aansluitkabel
Maart 2011 L.Bervoets pagina 22
2. Toepassing magnetische sensoren
Formatering cylinderwand
Veldrichting zonder magneet
Veldrichting met magneet
Maart 2011 L.Bervoets pagina 23
2. Capacitieve sensoren
s
Sensor elektroden
AfschermingObject
C = f(0, r, A, s-1)
Maart 2011 L.Bervoets pagina 24
2. Selectieve detectie met capacitieve sensoren
Maart 2011 L.Bervoets pagina 25
3. Voor veraf en kortbij
Fotocellen
Ultrasone sensoren
Kortbij & veraf
Hoge schakelfrequenties
Ongevoelig voor vuile & stoffige omgeving
Uitgebreide functionaliteit
Ruim detectiegebied
Licht
Geluid
Maart 2011 L.Bervoets pagina 26
3. Blokschema fotocellen
Zender
Ontvanger
Signaal-omvormer
Eindtrap
LED, IRED, Laser diode
Fotodiode, fototransistor, CCD, PSD
Maart 2011 L.Bervoets pagina 27
3. Gescheiden zender en ontvanger
Zender Ontvanger
Object
Maart 2011 L.Bervoets pagina 28
3. Reflector fotocellen.
zender
ontvanger
object
refector
Maart 2011 L.Bervoets pagina 29
3. Reflector fotocellen, polarisatiefilter
Maart 2011 L.Bervoets pagina 30
3. Directe reflectie
zender
ontvangerObject
Detectiebereik
Maart 2011 L.Bervoets pagina 31
3. Diffuse reflectie, energetische taster.
Maart 2011 L.Bervoets pagina 32
3. Directe reflectie, achtergrond onderdrukking
NF
T
detectie onderdrukking
Maart 2011 L.Bervoets pagina 33
3. Optische afstandsmeting
Faseverschuiving Looptijdmeting
Triangulatie
Maart 2011 L.Bervoets pagina 34
3. Triangulatie
Triangulatie hoek
OntvangerZender
Maart 2011 L.Bervoets pagina 35
3. Faseverschuiving
t
t
t
UEXO
R
Ulim
Uemit
Ureceiv
e
t~
Output signal of the limiting amplifier
Ud
Emitter and receiver signal
nfcsm
4
Meetprincipe• Het uitgezonden licht wordt frequentie-
gemodulleerd. (MHz)• Het licht dat door het object wordt weerkaatst
komt terug bij de ontvanger en is in fase verschoven.
• De hoek van de faseverschuiving wordt gebruikt om de afstand te bepalen.Met φmax = 360° of 2π
Eigenschappen• Mogelijk ontstaan foutdetecties (na 360°
faseverschuiving) • Afstanden groter dan 200 meter kunnen enkel
met complexe frequentie modulatie bereikt worden
• Laser wordt constant belast.
Maart 2011 L.Bervoets pagina 36
3. Pulse ranging technology
ncts
2
c = lichtsnelheidn = refractie indexs = afstand∆t = tijdsverschil
t
t
Δt
Verzonden signaal
Ontvangen signaal
Maart 2011 L.Bervoets pagina 37
3. Opbouw optische afstandsmeting met PRT
Object
Interface
Ontvangen
Zender
Timer
startsstops
Oscillator
Maart 2011 L.Bervoets pagina 38
3. Toepassingen optische afstandsmeting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 39
3. Metende fotocellen
Diffuse sensor in combinatie met het triangulatieprincipe:• Ontvanger is een rij van fotodiodes• µ-processor en software sturen de zender aan en verwerken de
informatie van de ontvanger.
Maart 2011 L.Bervoets pagina 40
Position sensitive device. Zwart/wit verschil is niet helemaal
uitgesloten
Beperkte bereik: de lichtspot moet altijd op het near/far-element vallen.
Minder geschikt voor elektronische afregeling.
Photo diode array Geen zwart/wit verschil
Grotere schakelhysteresis
Ideaal voor elektronische afregeling
Verschillende schakelpunten mogelijk.
3. PSD versus diode array
Maart 2011 L.Bervoets pagina 41
3. Opbouw metende fotocel
Photo diode array
Zender
PCB met- µProcessor- IO-Link interface
Maart 2011 L.Bervoets pagina 42
3. Reflectorfotocellen met meervoudige zender
Maart 2011 L.Bervoets pagina 43
Betrouwbare en consistente detectie van de voorzijde van het object, onafhankelijk van vorm, textuur of ligging!
3. Voordurend visueel contact
Maart 2011 L.Bervoets pagina 44
3. Karakteristieken
Maart 2011 L.Bervoets pagina 45
3. Industriëele beeldverwerking
Flexibiliteit/performantie
Inte
grat
ie/k
ostp
rijs
- Smart sensor, intelligenter sensor- Complexere sensor/fotocel
Vision Sensor• Toepassingsgerichte sensoren• Instelbaar
Smart Camera /Compact Vision System
- Intelligente cameras- Compacte visie systemen
• Toepassingsgerichte sensoren• Instelbaar / programmeerbaar
Vision System
- Vrij toepasbaar, polyvalent- PCgebaseerde systemen
• vrij instelbaar• programmeerbaar
Maart 2011 L.Bervoets pagina 46
3. Visiesensoren: toepassingsbereik
Volledigheidscontrole Objectherkenning Positiebepaling
Instelbare Visie sensorvoor het uitvoeren van volgende controles:
Maart 2011 L.Bervoets pagina 47
3. Visiesensoren met geïntegreerde belichting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 48
3. Visiesensoren met geïntegreerde belichting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 49
3. Visiesensoren met geïntegreerde belichting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 50
3. Visiesensoren met externe belichting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 51
3. Visiesensoren met externe belichting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 52
3. Verwerkingsalgoritmes voor visiesensoren
Maart 2011 L.Bervoets pagina 53
3. Visiesensoren voor positionering
Vervuild oppervlak Zuiver oppervlak
Zwak contrast Sterk contrast
Maart 2011 L.Bervoets pagina 54
3. 3D Visiesensoren
Maart 2011 L.Bervoets pagina 55
3. Ultrasone sensoren, werkingsprincipe
Transducer
Ontkoppellaag
PUR schuim Piëzokristal
Ultrasone-transducer
Signaal-omvormer
Eindtrap
Maart 2011 L.Bervoets pagina 56
3. Ultrasone transducer
Opgewekt signaal
Weerkaatst signaal
Verzondensignaal
Maart 2011 L.Bervoets pagina 57
3. Ultrasone sensoren: Frequentiespectrum
Maart 2011 L.Bervoets pagina 58
3. Directe reflectie bij ultrasone sensoren.
Single head type
Zender en ontvanger zitten in dezelfde behuizing (transceiver). Het object wordt als reflector gebruikt.
Eigenschappen:
Schakelbereik is afhankelijk van de vorm, grootte, opvlakte ruwheid en richting van het object.
Maart 2011 L.Bervoets pagina 59
3. Directe reflectie bij ultrasone sensoren.
Double head type
Zender en ontvanger zitten in verschillende behuizingen. Objectenkunnen enkel gedetecteerd worden op het snijpunt (gebied) van de aslijnen van zender en ontvanger. Het object wordt als reflector gebruikt.
Eigenschappen:
• Schakelbereik is afhankelijk van de vorm, grootte, opvlakte ruwheid en richting van het object.
• Detectie van kleine objecten• Achtergrond onderdrukking• Geen dode zone
Maart 2011 L.Bervoets pagina 60
3. Ultrasone looptijdmeting
2cts
object
Afstand van het object s
Sensortheen
tterug
)( terugheen ttt
)))(((
Ultrasone impuls
C = 344 m/s geluidssnelheid in lucht bij 20°C
tcs
Maart 2011 L.Bervoets pagina 61
3. Oscillogram looptijdmeting
1) Verzonden signaal
2) Echo
3) Schakelniveau
Maart 2011 L.Bervoets pagina 62
3. Detectiecurve
Maart 2011 L.Bervoets pagina 63
3. Storende echo’s
Object
Storend object
Sensor
Maart 2011 L.Bervoets pagina 64
3. Oscillogram storende echo
1) Echo afkomstig van het object
2) Storende echo
3) Schakelniveau
Maart 2011 L.Bervoets pagina 65
3. Oscillogram: adaptief schakelniveau
1) Echo afkomstig van het object
2) Storende echo
3) Schakelniveau
Maart 2011 L.Bervoets pagina 66
3. Ultrasone zender/ontvanger barrière
Zender en ontvanger worden tegenover elkaar opgesteld. Het object onderbreekt hetuitgezonden ultrasone signaal.
Eigenschappen:
• Groot bereik• Zeer bedrijfszeker• Hogere installatiekost
Maart 2011 L.Bervoets pagina 67
3. Ultrasone reflector
Zender en ontvanger zitten in dezelfde behuizing.Het ultrasone geluid wordtgereflecteerd door een vaste achtergrond die gebruikt wordt alsreflector.Het object wordt gedetecteerd dooreen gewijzigde afstand of het verlies van signaal door absorptie of afbuiging.
Eigenschappen:• Slechts 1 aansluiting• Betrouwbare detectie van zelfs
grillige objecten.• Zeer bedrijfszeker
Maart 2011 L.Bervoets pagina 68
3. Dubbele laagdetectie
De dubbele laagdetectie is gebaseerd op de configuratie van gescheiden zender en ontvanger.
De verzwakking van het ultrasone signaal wordt gemeten. Een verschil kan gemaakt worden tussen geen, één enkele en een dubbele laag.
Een microprocessor verwerkt het signaal en stuurt de overéénkomstige uitgang.
Maart 2011 L.Bervoets pagina 69
Niveaudetectie vultrechter verwerkingsinstallatie steenafval. (breker)
3. Toepassingen ultrasone sensoren
Maart 2011 L.Bervoets pagina 70
3. Toepassingen ultrasone sensoren
Maart 2011 L.Bervoets pagina 71
4. Rotatiesnelheid en hoekverdraaing
Maart 2011 L.Bervoets pagina 72
4. Draaiimpulsgevers
Lichtbron
Schijf met openingen
Opname element
Lichtstraal
Maart 2011 L.Bervoets pagina 73
4. Incrementeel
Maart 2011 L.Bervoets pagina 74
4. Magnetische incrementeel impulsgever
Poolwiel
Opnemer
Maart 2011 L.Bervoets pagina 75
4. Absoluut; singleturn - multiturn
Photodiode
Gecodeerdeschijf
LED
As
Reductor
tastvenster
Photodiode
Gecodeerdeschijf
LEDAs
Maart 2011 L.Bervoets pagina 76
4. Bouwvormen voor impulsgevers
Maart 2011 L.Bervoets pagina 77
A: Massa-veersysteem B: thermische opnemer C: vloeistofsysteem
5. Inclinatiemeting
Maart 2011 L.Bervoets pagina 78
5. Vergelijking meetprincipes voor inclinatiemeting
Technologie Voordeel NadeelMEMS - groot aanbod
- snel <1000Hz- Lage schokweerstand- Eigenfrequentie typisch tussen 1,5k-6kHz
Thermische opnemer
- Hoge schokweerstand- Geen oscillatie- Trillingsongevoelig
- klein aanbod- traag <20Hz
Vloeistof- systeem
- Hoge resolutie- Trillingsongevoelig
- duur- groot- 360° onmogelijk
Maart 2011 L.Bervoets pagina 79
5. MEMS technologie – veréénvoudige voorstelling
Maart 2011 L.Bervoets pagina 80
FN FN = m x g
9,81 m/s2
m
5. MEMS technologie – veréénvoudige voorstelling
Maart 2011 L.Bervoets pagina 81
FN
5. MEMS technologie – veréénvoudige voorstelling
Maart 2011 L.Bervoets pagina 82
FN
5. MEMS technologie – veréénvoudige voorstelling
Maart 2011 L.Bervoets pagina 83
5. MEMS technologie - grootte
~ 2mm
~ 2mm
Maart 2011 L.Bervoets pagina 84
5. MEMS technologie - grootte
Maart 2011 L.Bervoets pagina 85
5. Toepassing als accelerometer, trillingsopnemer
FN
m
Maart 2011 L.Bervoets pagina 86
6. Signaalsoorten voor sensoren
pnp type
Uitgang
last
BN/3
BU/4
+ 24 VDC
Load
Maart 2011 L.Bervoets pagina 87
6. Signaalsoorten voor sensoren in ATEX bereik
Maart 2011 L.Bervoets pagina 88
6. Aansluittechniek
Ventielstekkers M12-multiports
M8 Multiports
InbouwadaptersY- / T-aftakkingen M23 en 7/8“ aansluitingen
Buskabel
Confectioneerbare aansluitingen
Aangegoten stekkerskabels M12
Maart 2011 L.Bervoets pagina 89
6. AS-interface
Maart 2011 L.Bervoets pagina 90
6. Inzetbaarheid AS-interface
Geïntegreerde oplossingAS Interface Safety
Bekabeling metAS Interface
Conventionelebekabeling
AS Interface MasterNaar
PLC
AS Interface MasterNaar
PLCI/O
I/O
NaarPLC
Maart 2011 L.Bervoets pagina 91
6. IO link
Maart 2011 L.Bervoets pagina 92
7. Vragen & bedenkingen.
Uw kontakt:Luc BervoetsPepperl+Fuchs N.V.Metropoolstraat 11B-2900 Schoten (Belgium) Tel. +32 (0)3 641 85 74Fax +32 (0)3 644 24 41Mob. +32 (0)496 268 999Email : [email protected] www.pepperl-fuchs.be
Maart 2011 L.Bervoets pagina 93
Hartelijk dank!
Top Related