Senzorii și traductoarele pot fi utilizate într-un sistem mecatronic în mai multe moduri:

1. Pentru a măsura ieșirile sistemului pentru control cu feedback

2. Pentru a măsura intrările sistemului (intrări dorite, intrări necunoscute și perturbații) pentru control feedforward

3. Măsurarea semnalelor de ieșire pentru monitorizare, diagnostic, evaluare, ajustarea parametrilor și control de supraveghere

4. Măsurarea perechilor de semnal de intrare și ieșire pentru testarea sistemului și modelarea experimentală (adică pentru identificarea sistemului)

Selectarea și integrarea corespunzătoare a senzorilor și traductoarelor sunt cruciale pentru instrumentarea unui sistem mecatronic. Caracteristicile unui dispozitiv de măsurare perfect au fost discutate în Capitolul 5. Chiar dacă senzorii și traductoarele reale se pot comporta destul de diferit în practică, atunci când dezvoltăm un sistem mecatronic, ar trebui să utilizăm comportamentul ideal ca referință pentru specificațiile de proiectare.

Potențiometre, transformatoare diferențiale, resolvere, selsine, mărci tensometrice, tahometre, dispozitive piezoelectrice, burdufuri, diafragme, debitmetre, termocuple, termistoare, și detectoarele de temperatură cu rezistență (RTD) sunt exemple de senzori folosiți în sistemele mecatronice. De obicei, actuatoarele (vezi Capitolul 7) merg mână în mână cu senzorii și traductoarele. Unele aplicații inginerești/mecatronice și utilizarea de senzori și actuatoare în ele sunt menționate în tabelul 6.1. În acest capitol, este indicată semnificația senzorilor și traductoarelor într-un sistem mecatronic; sunt prezentate criterii importante în selectarea senzorilor și traductoarelor pentru aplicații mecatronice; sunt descriși mai mulți senzori (și traductoare) reprezentativi și principiile, caracteristicile și aplicațiile lor de operare.

TABEL 6.1 Senzori și actuatori folosiți în unele aplicații comune de inginerie

6.1.1 Terminologie

Variabila care se măsoară este denumită măsurand. Exemple sunt accelerația și viteza unui vehicul, cuplul în articulațiile robotizate, temperatura și presiunea unei instalații de proces și curentul printr-un circuit electric. Un dispozitiv de măsurare trece prin două etape în timp ce măsoară un semnal. În primul rând, măsurandul este „simțit” sau detectat. Apoi, semnalul măsurat este tradus (sau convertit) în forma de ieșire a dispozitivului. De fapt, senzorul, care „detectează” răspunsul, convertește automat (adică, traduce) această „măsurare” în ieșirea senzorului - răspunsul elementului senzor. De exemplu, un accelerometru piezoelectric detectează accelerația și o convertește într-o sarcină electrică, un tahometru electromagnetic detectează viteza și o convertește în tensiune, iar un encoder de arbore detectează o rotație și o convertește într-o secvență de impulsuri de tensiune. Prin urmare, termenii senzor și traductor sunt folosiți în mod interschimbabil pentru a indica o unitate senzor-traductor. Etapele senzor și traductor sunt etape funcționale, iar uneori nu este ușor sau chiar posibil să identificăm separat elemente fizice asociate acestora. Mai mult, această separare nu este foarte importantă în utilizarea dispozitivelor existente. Separarea corectă a etapelor senzor și a traductor (atât fizic cât și funcțional) poate fi crucială, însă, atunci când se proiectează noi dispozitive de măsurare.

Tipic, semnalul măsurat este tradus (sau convertit) într-o formă care este deosebit de potrivită pentru transmiterea, înregistrarea, condiționarea, procesarea, activarea unui controller sau acționarea unui actuator. Din acest motiv, ieșirea unui traductor este adesea un semnal electric. Măsurandul este de obicei un semnal analogic, deoarece reprezintă ieșirea unui sistem dinamic. De exemplu, semnalul de sarcină de la un accelerometru piezoelectric trebuie să fie convertit într-un semnal de tensiune la un nivel adecvat folosind un amplificator de sarcină. Pentru utilizare într-un controller digital, el trebuie digitalizat folosind un convertor analogic-digital (A/D) (ADC - vezi Capitolul 4). În traductoarele digitale, ieșirea traductorului este discretă. Acest lucru facilitează interfața directă a unui traductor cu un procesor digital.

Un dispozitiv complex de măsurare poate avea mai multe etaje de detectare. Adesea, măsurandul trece prin mai multe etaje ale traductorului înainte de a fi disponibil pentru control și acționare. Mai mult, poate fi necesară o filtrare pentru a elimina zgomotul de măsurare. Prin urmare, condiționarea semnalului este de obicei necesară între senzor și controller, precum și între controller și actuator. Amplificatoarele de sarcină, amplificatoarele lock-in, amplificatoarele de putere, amplificatoare de comutare, amplificatoare liniare, filtre de urmărire, filtre trece-jos, filtre trece-sus și filtre notch sunt câteva dintre dispozitivele de condiționare a semnalelor utilizate în sistemele mecatronice (vezi cap. 4). În unele literaturi, dispozitivele de condiționare a semnalului, cum ar fi amplificatoare electronice, sunt de asemenea clasificate ca traductoare. Întrucât tratăm dispozitivele de condiționare și modificare a semnalelor separat de dispozitivele de măsurare, această clasificare unificată este evitată ori de câte ori este posibil, iar termenul traductor este utilizat în principal în raport cu instrumentele de măsurare. Rețineți că este oarecum redundant să considerați senzori-traductoare electric-la-electric ca dispozitive de măsurare, deoarece semnalele electrice au nevoie de condiționare doar înainte ca acestea să fie utilizate pentru a îndeplini o sarcină utilă. În acest sens, traducerea electric-la-electric trebuie considerată o funcție de „condiționare” și nu o funcție de „măsurare”. Componentele suplimentare, cum ar fi sursele de alimentare și unitățile de protecție la supratensiune, sunt deseori necesare în sistemele de control, dar sunt legate doar indirect de funcțiile de control. Relee și alte dispozitive de comutare și modulatoare și demodulatoare pot fi de asemenea incluse.

Traductoarele pure depind de cuplarea nedisipativă în stadiul de traducere. Traductoarele pasive (uneori numite traductoare auto-generatoare) depind de caracteristicile lor de transfer de putere pentru funcționare și nu au nevoie de o sursă de alimentare externă. Rezultă că traductoarele pure sunt în esență dispozitive pasive. Unele exemple sunt traductoarele electromagnetice, termoelectrice, radioactive, piezoelectrice și fotovoltaice. Alimentarea externă este necesară pentru funcționarea senzorilor/traductoarelor active și nu depind de caracteristicile de conversie a puterii pentru funcționarea lor. Un bun exemplu este un traductor rezistiv, cum ar fi un potențiometru, care depinde de disiparea puterii sale printr-un rezistor pentru a genera semnalul de ieșire. Rețineți că un traductor activ necesită o sursă de alimentare separată pentru funcționare, în timp ce un traductor pasiv își extrage puterea dintr-un semnal măsurat (măsurand). Deoarece traductoarele pasive își obțin energia aproape în întregime din măsurand, ele tind, în general, să denatureze (sau să încarce) semnalul măsurat într-o măsură mai mare decât ar face un traductor activ. Se pot lua măsuri de precauție pentru a reduce aceste efecte de încărcare. Pe de altă parte, traductoarele pasive sunt în general simple în proiectare, mai fiabile și mai puțin costisitoare. În clasificarea actuală a traductoarelor, avem de-a face cu energia în etajul imediat al traductorului asociat cu măsurandul, nu cu energia folosită în condiționarea ulterioară a semnalului. De exemplu, o generare de sarcină piezoelectrică este un proces pasiv. Însă, ar fi necesar un amplificator de sarcină, care utilizează o sursă de alimentare auxiliară, pentru a condiționa sarcina generată.

În continuare, vom studia mai multe dispozitive analogice senzor-traductor, care sunt utilizate în mod obișnuit în instrumentarea sistemului mecatronic. Nu vom încerca să prezentăm o discuție extinsă a tuturor tipurilor de senzori; mai degrabă, vom lua în considerare o selecție reprezentativă.

O astfel de abordare este rezonabilă, având în vedere faptul că, deși principiile științifice din spatele diverșilor senzori pot diferi, multe alte aspecte (de exemplu, parametrii de performanță, condiționarea semnalului, interfațarea, procedurile de modelare) pot fi comune într-o mare măsură.

6.1.2 Senzori și traductoare de mișcare

Prin mișcare, ne referim la următoarele patru variabile cinematice:

• Deplasare (incluzând poziția, distanța, proximitatea și dimensiunea sau indicatorul)
• Viteză
• Accelerație a
• Jerk j=da/dt (variația accelerației)

Rețineți că fiecare variabilă este derivata de timp a precedentei. Măsurătorile de mișcare sunt foarte utile în controlul răspunsurilor și interacțiunilor mecanice în sistemele mecatronice. Se pot cita numeroase exemple: Viteza de rotire a unei piese de lucru și viteza de avans a unei scule sunt măsurate în controlul operațiunilor de prelucrare. În controlul traiectoriei manipulatorului se utilizează deplasări și viteze (atât unghiulare, cât și translatorii) la articulații (revolute and prismatic) ale manipulatorilor robotici sau ale legăturilor cinematice. În vehiculele de tranzit la sol de mare viteză, măsurările de accelerație și jerk pot fi utilizate pentru controlul activ al suspensiei pentru a obține o calitate îmbunătățită a călătoriei. Viteza unghiulară este o măsurătoare crucială care este utilizată în controlul mașinilor rotative, cum ar fi turbinele, pompele, compresoarele, motoarele și generatoarele din instalațiile generatoare de energie. Senzorii de proximitate (pentru a măsura deplasarea) și accelerometrele (pentru a măsura accelerația) sunt cele mai frecvente două tipuri de dispozitive de măsurare utilizate în sistemele de protecție a mașinilor pentru monitorizarea condițiilor, detectarea defecțiunilor, diagnostic și control online (adesea în timp real) de mari și complexe utilaje. Accelerometrul este adesea singurul dispozitiv de măsurare utilizat în controlul echipamentelor de testare dinamică. Măsurările de deplasare sunt utilizate pentru controlul supapei în aplicațiile de proces. Grosimea plăcii (sau gage) este monitorizată continuu de sistemul de control automat al grosimii (AGC) la laminoarele de oțel.

O relație unu la unu poate să nu existe întotdeauna între un dispozitiv de măsură și o variabilă măsurată. De exemplu, deși mărcile tensometrice sunt dispozitive care măsoară deformația (și, prin urmare, solicitări și forțe), ele pot fi adaptate pentru a măsura deplasări folosind un element senzor auxiliar frontal, cum ar fi o pârghie (sau un arc). Mai mult, același dispozitiv de măsurare poate fi utilizat pentru a măsura variabile diferite prin tehnici adecvate de interpretare a datelor. De ex., accelerometrele piezoelectrice cu circuite de integrare microelectronice încorporate sunt comercializate ca traductoare piezoelectrice de viteză. Semnalele de resolver, care asigură deplasări unghiulare, sunt diferențiate pentru a obține viteze unghiulare. Traductoare generatoare de impulsuri (sau digitale), cum ar fi encodere optice și tahometre digitale, poate servi atât ca traductoare de deplasare, cât și pentru traductoare de viteză, în funcție de numărul absolut de impulsuri contorizate sau de măsurarea ratei impulsurilor. Rețineți că rata impulsurilor poate fi măsurată fie prin numărarea numărului de impulsuri pe durata unui interval de timp unitar, fie prin trecerea unui semnal de tact de înaltă frecvență prin lățimea pulsului. Mai mult, în principiu, orice senzor de forță poate fi folosit ca senzor de accelerație, senzor de viteză sau de deplasare dacă un element de inerție (convertirea accelerației în forță), un element de amortizare (convertirea vitezei în forță) sau un element de arc (convertirea deplasării în forță), respectiv, este utilizat ca senzor auxiliar frontal.

Am putea pune sub semnul întrebării nevoia de traductoare separate pentru a măsura cele patru variabile cinematice - deplasare, viteză, accelerație și jerk - deoarece orice variabilă este legată de oricare alta prin simplă integrare sau diferențiere. În teorie, ar trebui să fie posibilă măsurarea doar a uneia dintre aceste patru variabile și utilizarea fie a procesării analogice (prin hardware-ul circuitului analog), fie a procesării digitale (printr-un procesor dedicat) pentru a obține oricare dintre variabilele de mișcare rămase. Fezabilitatea acestei abordări este totuși limitată și depinde în mod crucial de mai mulți factori, printre care următorii:

1. Natura semnalului măsurat (de exemplu, constantă, înalt tranzitorie, periodică, bandă-îngustă, bandă largă)

2. Conținutul de frecvență necesar al semnalului procesat (sau intervalul de frecvență de interes)

3. Raportul semnal-zgomot (SNR) al măsurătorii

4. Capacități de procesare disponibile (de exemplu, procesare analogică sau digitală, limitări ale procesorului digital, și interfață, precum viteza procesării, viteza de eșantionare și dimensiunea buffer-ului)

5. Cerințele controllerului și natura instalației (de exemplu, constante de timp, întârzieri, complexitate, limitări hardware)

6. Exactitatea necesară în obiectivul final (de care vor depinde cerințele de procesare și costurile de hardware)

De exemplu, diferențierea unui semnal (în domeniul-timp) este adesea inacceptabilă pentru semnalele zgomotoase și de înaltă- frecvență cu bandă îngustă. În orice caz, ar putea fi necesar un hardware costisitor de condiționare de semnal pentru preprocesare înainte de diferențierea unui semnal. De regulă, în aplicațiile cu joasă-frecvență (de ordinul a 1 Hz), măsurările de deplasare oferă, în general, o acuratețe bună. În aplicațiile cu frecvență-intermediară (mai puțin de 1 kHz), măsurarea vitezei este de obicei favorizată. În măsurarea mișcărilor de înaltă-frecvență cu nivele ridicate de zgomot, este preferată măsurarea accelerației. Jerk este deosebit de util în tranzit la sol (calitatea călătoriei), fabricație (forjare, rulare și operațiuni similare de tip-impact) și aplicații de izolare a șocurilor (pentru echipamente delicate și sensibile).

6.2 Potențiometru