6.1 În fiecare dintre următoarele exemple, indicați cel puțin o intrare (necunoscută), care ar trebui măsurată și folosită în controlul feedforward pentru a îmbunătăți acuratețea sistemului.

(a) Un sistem servo pentru poziționarea unei sarcini mecanice. Servomotorul este un motor DC controlat de câmp cu feedback de poziție folosind un potențiometru și feedback de viteză folosind un tahometru.

(b) Un sistem de încălzire electrică pentru o conductă care transportă un lichid. Temperatura de ieșire a lichidului este măsurată folosind un termocuplu și este utilizată pentru a regla puterea încălzitorului.

(c) Un sistem de încălzire a încăperii. Temperatura camerei este măsurată și comparată cu punctul stabilit. Dacă este scăzută, se deschide o supapă a unui calorifer cu abur; dacă este mare, supapa este închisă.

(d) Un robot de asamblare, care prinde o piesă delicată pentru a o ridica fără a deteriora piesa.

(e) Un robot de sudură, care urmărește îmbinarea unei piese care urmează să fie sudată.

6.2 Dând exemple, discutați situațiile în care măsurarea mai multor tipuri de variabilă cinematică cu același dispozitiv de măsurare este

(a) Un avantaj
(b) Un dezavantaj

6.3 Scrieți expresia pentru eroarea de neliniaritate la încărcare electrică (procent) într-un potențiometru rotativ față de deplasarea unghiulară, deplasarea maximă (cursa), rezistența elementului potențiometru și rezistența de sarcină. Trasați eroarea procentuală ca funcție de deplasarea fracțională pentru cele trei cazuri RL/Rc = 0,1, 1,0 și 10,0.

6.4 În poziția de nul, s-a constatat că impedanțele celor două segmente secundare de înfășurare ale unui LVDT sunt egale ca mărime, dar ușor inegale în fază. Arătați că eroarea de cuadratură (tensiune de nul) este defazată cu aproximativ 90° față de componenta predominantă a semnalului de ieșire în condiții de circuit deschis. Sugestie: acest lucru poate fi dovedit fie analitic, fie grafic, luând în considerare diferența dintre două linii direcționate rotative (fazori), care sunt separate printr-un unghi foarte mic.

6.5 Senzorii standard de deplasare rectilinie, cum ar fi LVDT și potențiometru, sunt folosiți pentru a măsura deplasări de până la 25 cm; în această limită, poate fi obținută acuratețe de până la ± 0,2%. Pentru măsurarea deplasărilor mari de ordinul a 3 m, se pot utiliza senzori de deplasare cu extensie de cablu, care au un senzor de deplasare unghiulară ca unitate de detecție de bază. Un tip de senzor de deplasare rectilinie are un potențiometru rotativ și un cablu ușor, care se înfășoară în jurul unei bobine care se rotește cu brațul cursorului potențiometrului. În utilizarea acestui senzor, capătul liber al cablului este conectat la elementul în mișcare a cărui deplasare trebuie măsurată. Carcasa senzorului este montată pe o platformă staționară, cum ar fi structura de susținere a sistemului monitorizată. Un motor cu arc înfășoară cablul înapoi, în timp ce cablul se retrage. Folosind schițe adecvate, descrieți funcționarea acestui senzor de deplasare. Discutați despre deficiențele acestui dispozitiv.

6.6 Este cunoscut faptul că unii dintre factorii care trebuie luați în considerare în selectarea unui LVDT pentru o anumită aplicație sunt liniaritatea, sensibilitatea, timpul de răspuns, dimensiunea și greutatea miezului, dimensiunea carcasei, frecvența de excitație primară, impedanța de ieșire, variația de fază între tensiunile primară și secundară, tensiunea de nul, cursa și efectele mediului (compensarea temperaturii, ecranare magnetică etc.). Explicați de ce și cum fiecare dintre factori este o considerație importantă.

6.7 Sistemul de condiționare a semnalului pentru un LVDT are următoarele componente: sursa de alimentare, oscilator, demodulator sincron, filtru și amplificator de tensiune. Utilizând o diagramă bloc, arată cum sunt conectate aceste componente la LVDT. Descrieți scopul fiecărei componente. Un LVDT de înaltă performanță are un grad de liniaritate de 0,01% în gama sa de ieșire de 0,1–1,0 V AC. Timpul de răspuns al LVDT este cunoscut a fi de 10 ms. Care ar trebui să fie frecvența excitației primare?

6.8 Pentru detectarea direcțională folosind un LVDT, este necesar să se determine unghiul de fază al semnalului indus. Cu alte cuvinte, ar fi necesară demodularea sensibilă la fază.

(a) În primul rând, considerați o deplasare liniară a miezului pornind de la o valoare pozitivă, deplasându-se la zero și apoi revenind la aceeași poziție într-o perioadă de timp egală. Schițați ieșirea LVDT pentru această deplasare „triunghiulară” a miezului.

(b) Apoi, schițați ieșirea dacă miezul a continuat să se deplaseze pe partea negativă cu aceeași viteză.

Prin compararea celor două ieșiri, arătați că ar fi necesară demodularea sensibilă la fază pentru a face distincția între cele două cazuri de deplasare.

6.9 Unghiurile de articulare și vitezele unghiulare sunt cele două măsurători de bază utilizate în controlul direct (la nivel scăzut) al manipulatoarelor robotice. Un tip de braț robot folosește resolvere pentru a măsura unghiurile și pentru a diferenția aceste semnale (digital) pentru a obține viteze unghiulare. Un sistem de angrenaje este utilizat pentru a intensifica măsurarea (raportul de angrenare tipic, 1: 8). Deoarece roțile dințate sunt feromagnetice, un dispozitiv alternativ de măsurare ar fi un senzor de proximitate cu auto-inducție sau cu inducție-reciprocă situat la o roată dințată. Acest aranjament, cunoscut sub numele de tahometru cu impulsuri, generează un semnal de impuls (sau aproape sinus), care poate fi utilizat atât pentru a determina deplasarea unghiulară cât și viteza unghiulară. Discutați despre avantajele și dezavantajele acestor două aranjamente (resolver și tahometru de impuls) în această aplicație particulară.

6.10 Comparați și contrastați principiile de operare ale unui tahometru DC și un tahometru AC (tipuri cu magnet-permanent, și cu inducție). Care sunt avantajele și dezavantajele acestor două tipuri de tahometre?

6.11 Descrieți trei tipuri diferite de senzori de proximitate. În unele aplicații, poate fi necesar să se detecteze doar poziții cu două stări (de exemplu, prezență sau absență, merg sau nu). Senzorii de proximitate pot fi folosiți în astfel de aplicații, iar în acest context sunt denumite comutatoare de proximitate (sau întrerupătoare de limită). De exemplu, considerați o aplicație de manipulare a pieselor în fabricarea automată în care un efector de capăt al robotului prinde o piesă și o alege pentru a o muta de la un transportor la o mașină-unealtă. Putem identifica patru etape separate în procesul de prindere. Explicați cum pot fi utilizate comutatoarele de proximitate pentru detectare în fiecare din aceste patru sarcini:

(a) Asigurați-vă că piesa se află la locația preconizată pe transportor.

(b) Asigurați-vă că dispozitivul de prindere este deschis.

(c) Asigurați-vă că efectorul final s-a mutat la locația corectă, astfel încât piesa să se afle între degetele de prindere.

(d) Asigurați-vă că piesa nu a alunecat atunci când dispozitivul de prindere (gripper) a fost închis.

Notă: O utilizare similară a întrerupătoarelor de limită se găsește în fabricile de cherestea în care buștenii arbori sunt tăiați în bușteni mai mici, decojiți, tăiați într-un buștean pătrat/dreptunghiular folosind o operație cu ferăstrău și tăiați în mai mici dimensiuni (de exemplu, două la patru secțiuni) pentru comercializare.

6.12 În unele procese industriale, este necesar să detectați starea unui sistem într-o locație și, în funcție de această condiție, să activați o operație într-o locație departe de acea locație. De exemplu, într-un mediu de fabricație, când numărul pieselor finite depășește o anumită valoare, așa cum este sesizată în zona de depozitare, o mașină de frezat ar putea fi oprită sau pornită. Un comutator de proximitate ar putea fi utilizat pentru detectare și un sistem de control în rețea (de exemplu, bazat pe Ethernet) ar putea fi utilizat pentru controlul procesului. Deoarece activarea procesului de la distanță necesită, de obicei, un curent mai mare decât sarcina nominală a unui comutator de proximitate, trebuie să folosiți un circuit releu, care este acționat de comutatorul de proximitate. Un astfel de aranjament este prezentat în figura P6.12. Rețineți că circuitul releu poate fi utilizat pentru a acționa un dispozitiv precum o supapă, un motor, o pompă, sau un comutator puternic. Discutați despre o aplicație a aranjamentului prezentat în figura P6.12 în industria ambalajelor alimentare. În această aplicație este utilizat un senzor de proximitate cu inducție reciprocă, cu următoarele valori nominale:

Diametrul senzorului = 1 cm
Distanța de detectare (proximitatea) = 1 mm
Alimentarea la înfășurarea primară = 220 V la 50 Hz
Curentul nominal de sarcină (în secundar) = 200 mA

Discutați limitările acestui senzor de proximitate

FIGURA P6.12 Circuit releu cu comutator de proximitate

6.13 Turnarea prin compresie este utilizată la confecționarea pieselor cu forme complexe și dimensiuni variate. De obicei, matrița este formată din două platane, placa de jos fiind atașată la masa presei și placa superioară operată de o presă hidraulică. Foile de metal sau de plastic - de exemplu, pentru industria auto - pot fi modelate prin compresie în acest mod. Principala cerință în controlul presei este poziționarea plăcii superioare cu exactitate față de placa de jos (să zicem, cu o toleranță de 0,001 in. sau 0,025 mm), iar aceasta trebuie făcută rapid (să zicem, în câteva secunde). Câte grade de libertate trebuie detectate (câți senzori de poziție sunt necesari) pentru controlul matriței? Propuneți măsurători tipice de deplasare care ar fi făcute în această aplicație și tipurile de senzori care ar putea fi folosiți. Indicați sursele de eroare care nu pot fi perfect compensate pentru această aplicație

6.14 Urmărirea cusăturilor în sudura robotizată cu arc necesită un control exact al poziției în condiții dinamice. Cusătura de sudare trebuie să fie urmată cu exactitate de pistoletul de sudare. De obicei, eroarea de poziție nu trebuie să depășească 0,2 mm. Un senzor de proximitate poate fi utilizat pentru a detecta interstițiul dintre pistoletul de sudare și piesa sudată. Este necesar să instalați senzorul pe efectorul de capăt al robotului, astfel încât să urmărească cusătura la o anumită distanță (de obicei 1 in sau 2,5 cm) înaintea pistoletului de sudare. Explicați de ce este important acest lucru. Dacă viteza de sudare nu este constantă și distanța dintre pistolet și senzorul de proximitate este fixată, ce fel de compensare ar fi necesară pentru controlul poziției efectorului de capăt? Sensibilitatea senzorului de câțiva volți pe milimetru este necesară în această aplicație de control a poziției. Ce tip de senzor de proximitate ați recomanda?

6.15 La Wright State University a fost dezvoltat un senzor de mișcare unghiulară, care operează cam ca un resolver convențional. Rotorul acestui resolver este un magnet permanent. S-a utilizat un magnet cu 2 discuri-Alnico cu diametru de 2 cm, magnetizat diametral ca un rotor cu doi-poli. În locul celor două seturi de înfășurări staționare plasate la 90° într-un resolver convențional, pentru detectarea semnalelor în cuadratură sunt folosiți doi senzori cu efect-Hall, situați la 90° în jurul rotorului magnet permanent. Rețineți că senzorii cu efect-Hall pot detecta surse magnetice în mișcare. Descrieți operarea acestui resolver modificat și explicați cum acest dispozitiv poate fi utilizat pentru a măsura mișcări unghiulare continuu. Comparați acest dispozitiv cu un resolver convențional, arătând avantajele și dezavantajele.

6.16 Un sistem de suspensie activă este propus pentru un vehicul de tranzit la sol, de mare viteză, pentru a obține o calitate îmbunătățită a călătoriei. Sistemul detectează jerk (viteza de variație a accelerației) din cauza perturbărilor rutiere și ajustează adecvat parametrii sistemului.

(a) Desenați o diagramă schematică adecvată pentru sistemul de control propus și descrieți dispozitivele de măsură adecvate.

(b) Sugerați o modalitate de a specifica calitatea de călătorie „dorită” pentru un tip de vehicul dat. (Ați specifica o valoare a jerk, un interval de jerk sau o curbă jerk în funcție de timp sau frecvență?)

(c) Discutați dezavantajele și limitările sistemului de control propus cu privire la factori precum fiabilitatea, costul, fezabilitatea și acuratețea.

FIGURA P6.17 Circuitul echivalent pentru un accelerometru cu cristal de cuarț (piezoelectric)

6.17 Un obiectiv de proiectare în majoritatea aplicațiilor mecatronice este realizarea unor constante de timp mici. O excepție sunt cerințele constantei de timp pentru un senzor piezoelectric. Explicați de ce este de dorit o constantă mare de timp, de ordinul a 10 sec, pentru un senzor piezoelectric în combinație cu sistemul său de condiționare a semnalului.

În figura P6.17 este prezentat un circuit echivalent pentru un accelerometru piezoelectric, care utilizează un cristal de cuarț ca element detector. Sarcina generată este notată cu q, iar tensiunea de ieșire la capătul cablului accelerometrului este vo. Capacitatea senzorului piezoelectric este modelată de Cp, iar capacitatea generală la ieșirea senzorului, a cărei contribuție principală se datorează capacității cablului, este notată cu Cc. Rezistența izolației electrice din accelerometru este notată de R. Scrieți o ecuație diferențială referitoare la vo cu q. Care este funcția de transfer corespunzătoare? Folosind acest rezultat, arătați că acuratețea accelerometrului se îmbunătățește atunci când constanta de timp a senzorului este mare și când frecvența accelerației măsurate este înaltă. Pentru un senzor cu cristal de cuarț cu R = 1 × 10¹¹ Ω și Cp = 300 pF și un circuit cu Cc = 700 pF, calculați constanta de timp.

6.18 Aplicațiile cu accelerometre se găsesc în următoarele domenii:

(a) Vehicule de tranzit (automobile - microsenzori pentru detectarea airbag-urilor, în special, aeronave, nave etc.),
(b) monitorizarea cablurilor de alimentare,
(c) controlul robotului de manipulare,
(d) structuri de construcție, (e) testarea șocurilor și a vibrațiilor și (f) detectarea poziției și a vitezei.

Descrieți o utilizare directă a măsurării accelerației în fiecare arie de aplicare.

6.19 Un accelerometru cu marcă tensometrică folosește o marcă tensometrică semiconductoare montată la rădăcina unui element grindă încastrată, cu masa seismică montată la capătul liber al grinzii. Să presupunem că elementul grindă are o secțiune pătrată cu o dimensiune de 1,5 × 1,5 mm². Lungimea echivalentă a elementului grindă este de 25 mm, iar masa seismică echivalentă este de 0,2 mg. Dacă grinda este realizată dintr-un aliaj de aluminiu cu modulul Young E = 69 × 10⁹ N/m², estimați domeniul de frecvență util al accelerometrului din hertz. Sugestie: Atunci când forța F este aplicată la capătul liber al unei grinzi, deflecția y (săgeata) la acea locație poate fi aproximată prin formula

unde
l este lungimea grinzii
I este aria momentului secundar a secțiunii transversale a grinzii în jurul axei de îndoire = bh³/12
b este lățimea secțiunii transversale
h este înălțimea secțiunii transversale

6.20 Aplicațiile senzorilor piezoelectrici sunt numeroase; dispozitive și comutatoare cu buton, senzori MEMS airbag în vehicule, detectare presiune și forță, senzor tactil robotizat, accelerometre, testare de alunecare a capetelor unităților de discuri din computer, detectare de excitație în teste dinamice, detecție de respirație în diagnostice medicale și dispozitive de intrare grafică pentru computere. Discutați despre avantajele și dezavantajele senzorilor piezoelectrici.

Care este sensibilitatea încrucișată a unui senzor? Indicați cum anizotropia cristalelor piezoelectrice (adică, sensibilitatea la sarcină destul de mare de-a lungul unei anumite axe cristaline) este utilă în reducerea problemelor de sensibilitate încrucișată la un senzor piezoelectric.

6.21 Ca urmare a progreselor înregistrate în microelectronică, senzorii piezoelectrici (cum ar fi accelerometrele și capetele de impedanță) sunt acum disponibili în formă miniatură, cu amplificatoare de sarcină încorporate într-o singură carcasă. Când sunt folosite astfel de unități, de obicei nu este necesară condiționarea suplimentară a semnalului. O unitate externă de alimentare este necesară, însă, pentru a asigura alimentarea circuitelor amplificatoare. Discutați despre avantajele și dezavantajele unui senzor piezoelectric cu microelectronică încorporată pentru condiționarea semnalului.

Un accelerometru piezoelectric este conectat la un amplificator de sarcină. În figura 6.21 este prezentat un circuit echivalent pentru acest aranjament.

(a) Obțineți o ecuație diferențială pentru ieșirea vo a amplificatorului de sarcină cu accelerația a ca intrare, în funcție de următorii parametri: Sa = sensibilitatea la sarcină a accelerometrului (sarcină/accelerație); Rf = rezistența de feedback a amplificatorului de sarcină; τc = constanta de timp a sistemului (amplificator de sarcină).

(b) Dacă pe accelerometru este aplicat un impuls de accelerație de magnitudine ao și durata T, schițați răspunsul în timp al ieșirii amplificatorului vo. Arătați cum variază acest răspuns cu τc. Folosind acest rezultat, arătați că cu cât τc este mai mare, cu atât măsurarea este mai exactă.

6.22 Dați valorile tipice pentru impedanța de ieșire și constanta de timp a următoarelor dispozitive de măsurare:

(a) Potențiometru
(b) Transformator diferențial
(c) Resolver
(d) Accelerometru piezoelectric

Un RTD are o impedanță de ieșire de 500 Ω. Dacă eroarea de încărcare trebuie menținută aproape de 5%, estimați o valoare adecvată pentru impedanța de sarcină.

6.23 IBM Corporation a elaborat un stilou de verificare a semnăturii. Scopul stiloului este autentificarea persoanei care furnizează semnătura detectând dacă utilizatorul forjează semnătura altcuiva. Stiloul instrumentat are senzori analogici. Semnalele senzorului sunt condiționate folosind microcircuite încorporate în stilou și eșantionate într-un computer digital la viteza de 80 eșantioane/s folosind un ADC. De obicei, aproximativ 1000 de eșantioane de date sunt colectate pe semnătură. Înainte de utilizarea stiloului, semnăturile autentice sunt colectate off-line și stocate într-o bază de date de referință. Când o semnătură și codul de identificare corespunzător sunt furnizate computerului pentru verificare, un program din procesor preia semnătura autentică din baza de date, prin referire la codul de identificare, apoi compară cele două seturi de date pentru autenticitate. Acest proces este de aproximativ 3 s. Discutați despre tipurile de senzori care ar putea fi folosiți în stilou. Estimează timpul total necesar pentru verificarea semnalului. Care sunt avantajele și dezavantaje ale acestei metode în comparație cu parafa utilizatorului doar într-un cod de identificare sau furnizează semnătura fără codul de identificare?

6.24 Considerați articulația unui manipulator robot, prezentată schematic în figura P6.24. Senzorii de cuplu sunt montați în locațiile 1, 2 și 3. Dacă cuplul electromagnetic generat la rotorul motorului este Tm, scrieți ecuațiile pentru cuplul transmis la legătura 2, cuplul fricțional la rulmentul A, cuplul de frecare la rulmentul B și cuplul de reacție pe legătura 1 în funcție de cuplurile măsurate, cuplul de inerție al rotorului și Tm.

FIGURA P6.24 Locații de detectare a cuplului pentru o articulație manipulator

6.25 Un senzor cu marcă tensometrică pentru măsurarea cuplului Tm generat de un motor este prezentat schematic în figura P6.25. Motorul este flotant pe rulmenți fără frecare. Un braț dreptunghiular uniform este atașat rigid la carcasa motorului și capătul acestuia este restrâns de o îmbinare cu știft. Patru mărci tensometrice identice sunt montate pe braț, așa cum se arată. Trei dintre mărcile tensometrice se găsesc în punctul A, care este situat la o distanță a de arborele motorului și a patra marcă tensometrică este în punctul B, care este situat la o distanță 3a de arborele motorului. Îmbinarea cu știft se află la o distanță l de arborele motorului. Mărcile tensometrice 2, 3 și 4 sunt pe suprafața superioară a brațului, iar marca 1 este pe suprafața inferioară. Obțineți o expresie pentru Tm în funcție de ieșirea punții δvo și următorii parametri suplimentari:

Ss este factorul de marcă (sensibilitatea mărcii tensometrice=gage factor)
vref este tensiunea de alimentare la punte
b este lățimea secțiunii transversale a brațului pârghiei
h este înălțimea secțiunii transversale a brațului pârghiei
E este modulul Young al brațului pârghiei.

FIGURA P6.25 Senzor cu mărci tensometrice pentru măsurarea cuplului motor

Verificați dacă sensibilitatea punții nu depinde de a și de l. Descrieți mijloacele pentru îmbunătățirea sensibilității punții. Explicați de ce citirea senzorului este doar o aproximare a cuplului transmis la sarcină. Dați o relație pentru a determina forța de reacție normală netă la rulmenți, folosind ieșirea punții.

6.26 Discutați despre avantajele și dezavantajele următoarelor tehnici în contextul măsurării semnalelor tranzitorii.

(a) Circuite în punte DC față de circuite în punte AC
(b) Comutatoare cu inele de alunecare și perie față de comutatoarele cu transformatoare AC
(c) Senzori de cuplu cu mărci tensometrice versus senzori de cuplu cu inductanță-variabilă
(d) Accelerometre piezoelectrice versus accelerometre cu mărci tensometrice
(e) Traductoare de viteză tahometre comparativ cu traductoare de viteză piezoelectrice

6.27 Descrieți pe scurt cum pot fi utilizate mărcile tensometrice pentru măsurare

(a) Forță
(b) Deplasare
(c) Accelerație
(d) Presiune
(e) Temperatură

Arătați că dacă o rezistență compensatoare Rc este conectată în serie cu tensiunea de alimentare vref la o punte de mărci tensometrice care are patru elemente identice, fiecare cu rezistență R, ecuația de ieșire este dată de

în rotația obișnuită.

O celulă de sarcină cu marcă-folie utilizează un element de tracțiune simplu (unidimensional) pentru a măsura forța. Să presupunem că Ss și k sunt insensibile la variațiile de temperatură. Dacă coeficientul de temperatură al lui R este α1, cel al rezistenței de compensare în serie Rc este α2, iar cel al modulului Young al elementului de tracțiune este (-β), determinați o expresie pentru Rc care ar rezulta în compensare automată (auto) pentru efecte de temperatura. În ce condiții este realizabil acest aranjament?

6.28 Capul de citire-scriere într-o unitate de disc a unui computer digital trebuie să floteze la o înălțime constantă, dar mică (de exemplu, o fracțiune de μm) deasupra suprafeței discului. Datorită aerodinamicii rezultate din rugozitatea suprafeței și deformările de suprafață ale discului, capul poate fi excitat în vibrații care ar putea provoca contacte cap-disc. Aceste contacte, care se numesc interferențe head-disk (HDI), sunt clar nedorite. Ele pot apărea la frecvențe foarte înalte (să zicem, 1 MHz). Scopul unui test de alunecare este pentru a detecta HID-urile și de a determina natura acestor interferențe. Testarea alunecării poate fi utilizată pentru a determina efectul parametrilor cum ar fi înălțimea de plutire a capului și viteza discului și pentru a califica (certifica calitatea) unității de disc. Indicați instrumentația de bază necesară pentru testarea alunecării. În special, sugerați tipurile de senzori care ar putea fi folosiți și avantajele și dezavantajele acestora.

6.29 Care sunt cerințele tipice pentru un senzor industrial tactil? Explicați cum diferă un senzor tactil de un senzor de atingere simplu. Definiți rezoluția spațială și rezoluția de forță (sau sensibilitatea) unui senzor tactil.

Rezoluția spațială a vârfului degetului poate fi determinată printr-un simplu experiment folosind doi pini și un asistent. Inchideți ochii. Instruiți asistentul să aplice un pin sau ambii pini la întâmplare pe vârful degetului, astfel încât să simțiți presiunea pinului sau pinilor. Ar trebui să răspundeți spunându-i asistentului dacă simțiți ambii pini sau doar un pin. Dacă simțiți ambii pini, asistentul ar trebui să scadă distanța celor doi pini în următoarea rundă de teste. Testul trebuie repetat în acest mod prin reducerea succesivă a distanței dintre pini, până când simțiți un singur pin atunci când ambii pini sunt efectiv aplicați. Atunci măsurați distanța dintre cei doi pini în milimetri. Cea mai mare distanță dintre cei doi pini care va duce la această senzație incorectă corespunde rezoluției spațiale a vârfului degetului. Repetați acest experiment pentru toate degetele, repetând testul de mai multe ori pe fiecare deget. Calculați media și abaterea standard. Efectuați testul pe alți subiecți. Discutați rezultatele. Observați variații mari ale rezultatelor?

6.30 Dexteritatea de mișcare unui dispozitiv este definită ca raportul (numărul de grade de libertate din dispozitiv)/(rezoluția de mișcare a dispozitivului). Dexteritatea de forță poate fi definită ca (numărul de grade de libertate din dispozitiv)/(rezoluția de forță a dispozitivului). Având în vedere o situație în care ambele tipuri de dexteritate înseamnă același lucru și o situație în care cei doi termeni înseamnă lucruri diferite, evidențiați cum poate fi îmbunătățită dexteritatea de forță a unui dispozitiv (să zicem, un efector final) prin utilizarea senzorilor tactili. Furnizați cerințele de dexteritate pentru următoarele sarcini, indicând dacă este preferată dexteritatea de mișcare sau dexteritatea de forță în fiecare caz:

(a) Apucând un ciocan și lovind cu el un cui
(b) Introducerea aței în ac
(c) Urmărirea cusăturii a unei piese complexe în sudura cu arc robotizat
(d) Finisarea suprafeței unei componente metalice complexe folosind șlefuirea robotică

6.31 Utilizând ecuația obișnuită pentru o punte DC de mărci tensometrice, arătați că dacă elementele de rezistență R1 și R2 au același coeficient de temperatură al rezistenței și dacă R3 și R4 au același coeficient de temperatură al rezistenței, efectele de temperatură sunt compensate până la primul ordin.

Un accelerometru cu mărci tensometrice microminiatură (MEMS) folosește două mărci semiconductoare, una integrată cu elementul grindă încastrată lângă capătul fix (rădăcină) și cealaltă montată într-o locație nesolicitată a accelerometrului. Întreaga unitate, incluzând grinda și mărcile tensometrice, au o construcție IC de siliciu și măsoară o dimensiune mai mică de 1 mm. Subliniați funcționarea accelerometrului. Care este scopul celei de-a doua mărci tensometrice?

6.32 În Figura P6.32 este prezentat un gyro de viteză simplu, care poate fi utilizat pentru a măsura viteza unghiulară. Viteza unghiulară de rotire este ω și se menține constantă la o valoare cunoscută.

Unghiul de rotație a gyro-ului în jurul axei cardanice (sau unghiul de răsucire al arcului torsional) este θ și este măsurat cu ajutorul unui senzor de deplasare. Viteza unghiulară a gyro-ului în jurul axei care este ortogonală atât la axa cardanică cât și la axa de rotire este Ω. Aceasta este viteza unghiulară θ a structurii de susținere (vehicul), care trebuie să fie măsurată. Obțineți o relație între Ω și θ în funcție de parametri, cum ar fi următorii:

J este momentul de inerție al roții în rotație
k este rigiditatea torsională a reținerii de arc la lagărele cardanice
b este constanta de amortizare a mișcării de rotație în jurul axa cardanice și viteza de rotație

Cum ați îmbunătăți sensibilitatea acestui dispozitiv?

FIGURA P6.32 Un senzor de viteză cu giroscop

6.33 Senzorii de nivel sunt folosiți într-o mare varietate de aplicații, incluzând îmbutelierea băuturilor răcoritoare, ambalarea alimentelor, monitorizarea vaselor de depozitare, rezervoarele de amestecare și conductele. Considerați următoarele tipuri de senzori de nivel, și explicați pe scurt principiul de funcționare al fiecărui tip în detectarea nivelului. De asemenea, care sunt limitările fiecărui tip?

(a) Senzori capacitivi
(b) Senzori inductivi
(c) Senzori cu ultrasunete
(d) Senzori de vibrație

6.34 Considerați următoarele tipuri de senzori de poziție: inductiv, capacitiv, cu curent eddy, fibră optică și ultrasonic. Pentru următoarele condiții, indicați care dintre aceste tipuri nu sunt potrivite și explicați de ce:

(a) Mediu cu umiditate variabilă
(b) Obiectul țintă din aluminiu
(c) Obiectul țintă din oțel
(d) Obiectul țintă din plastic
(e) Obiectul țintă la câțiva metri distanță de locația senzorului
(f) Mediu cu fluctuații semnificative de temperatură
(g) Mediu plin de fum

6.35 Discutați despre avantajele și dezavantajele senzorilor cu fibră optică. Considerați senzorul de poziție cu fibră optică. În curba intensității de lumină primite față de x, în ce regiune preferați să opereze senzorul și care sunt limitările corespunzătoare?

6.36 Producătorul unui aparat cu ultrasunete precizează că dispozitivul are aplicații pentru măsurarea grosimii oțelului laminat la rece, determinarea pozițiilor pieselor în ansamblul robotizat, sortarea cherestelei, măsurarea plăcilor de particule și a grosimii placajului, inspecția dimensională a plăcilor ceramice, detectarea nivelului de umplere a alimentelor în un borcan, calibrarea diametrului conductei, poziționarea anvelopelor din cauciuc în timpul fabricării, detectarea marginilor, localizarea defectelor în produse și identificarea pieselor. Discutați dacă următoarele tipuri de senzori sunt adecvate pentru unele sau toate aplicațiile de mai sus. În fiecare caz în care credeți că un anumit senzor nu este potrivit pentru o anumită aplicație, dați motive pentru a vă susține revendicarea.

(a) Senzori de poziție cu fibră optică
(b) Senzori de proximitate cu auto-inducție
(c) Senzori de proximitate cu curent eddy
(d) Calibre de capacitate
(e) Potențiometre
(f) Transformatoare diferențiale

FIGURA P6.37 Diagrama bloc a unui sistem de control al mișcării

6.37 (a) Luați în considerare sistemul de control al mișcării prezentat de diagrama bloc din figura P6.37.

(i) Dând exemple de situații tipice, explicați semnificația blocului reprezentat drept „Load-sarcină” în acest sistem.

(ii) Indicați avantajele și deficiențele deplasării senzorilor de mișcare de la arborele motorului în punctul de răspuns la sarcină, așa cum este indicat de liniile rupte din figură.

(b) Indicați, motivând ce tip de senzori veți recomanda pentru următoarele aplicații:

(i) într-o linie de îmbuteliere a băuturilor răcoritoare, pentru detectarea online a capacelor metalice montate necorespunzător pe buteliile de sticlă

(ii) Într-o instalație de procesare a hârtiei, pentru a măsura simultan atât diametrul cât și excentricitatea rulourilor de ziare

(iii) Măsurarea forței dinamice transmise de la un robot la structura sa de sprijin, în timpul funcționării

(iv) Într-o mașină de fabricare a placajului, pentru măsurarea online a grosimii placajului

(v) Într-o fabrică de conserve pentru detectarea conservelor defecte (cu deteriorarea flanșei, cusăturii laterale etc.)

(vi) Pentru a citi codurile de pe pachetele alimentare

6.38 Considerați cele două semnale de impuls în cuadratură (să spunem, A și B) de la un encoder incremental. Folosind schițe ale acestor semnale, arătați că într-o direcție de rotație, semnalul B este la un nivel high în timpul tranziției în sus a semnalului A și în direcția opusă de rotație, semnalul B este la nivel low în timpul tranziției ascendente a semnalului A. Rețineți că direcția de mișcare poate fi determinată în acest mod, folosind detectarea nivelului unui semnal în timpul tranziției în sus a celuilalt semnal.

6.39 Explicați de ce rezoluția de viteză a unui encoder de arbore depinde de viteza în sine.

Care sunt unii dintre ceilalți factori care afectează rezoluția de viteză? Viteza unui motor DC a crescut de la 50 la 500 rpm. Cum s-ar schimba rezoluția de viteză dacă viteza ar fi măsurată folosind un encoder incremental prin

(a) Metoda de contorizare a impulsurilor?
(b) Metoda de cronometrare a impulsurilor?

6.40 Descrieți metodele de îmbunătățire a rezoluției de deplasare și a rezoluției de viteză într-un encoder. Un disc de encoder incremental are 5000 de ferestre. Dimensiunea cuvântului a datelor de ieșire este de 12 biți. Care este rezoluția (deplasare) unghiulară a dispozitivului? Presupunem că semnalele în cuadratură sunt disponibile, dar că nu se utilizează interpolare.

6.41 Un encoder optic incremental care are N ferestre pe pistă este conectat la un arbore printr-un sistem de angrenaje cu raport de angrenare p. Obțineți formule pentru calcularea vitezei unghiulare a arborelui prin

(a) Metoda de contorizare a impulsurilor
(b) Metoda de cronometrare a impulsurilor

Care este rezoluția de viteză in fiecare caz? Ce efect are angrenajul step-up asupra rezoluției de viteză?

6.42 Care este principalul avantaj al utilizării unui cod gray în loc de cod binar simplu într-un encoder? Dați un tabel corespunzător unui cod gray pentru un encoder absolut pe 4 biți. Care este modelul de cod corespunzător pe discul encoderului?

6.43 Discutați caracteristicile de construcție și operarea unui encoder optic pentru măsurarea deplasărilor și vitezelor rectilinii.

6.44 O centrifugă este un dispozitiv care este utilizat pentru a separa componentele dintr-un amestec. Într-un proces de centrifugare industrial, amestecul care urmează să fie separat este plasat în centrifugă și rotit cu viteză mare. Forța centrifugă a unei particule depinde de masa, locația radială și viteza unghiulară a particulei. Această forță este responsabilă de separarea particulelor din amestec.

Mișcarea unghiulară și temperatura containerului sunt cele două variabile cheie care trebuie controlate într-o centrifugă. În special, se folosește o curbă de centrifugare specifică care constă dintr-un segment de accelerare, un segment de viteză constantă și segment de frânare și acest lucru corespunde unui profil de viteză trapezoidală.

Un encoder optic poate fi utilizat ca senzor pentru controlul de viteză bazat pe microprocesor în centrifugă. Discutați dacă este preferat un encoder absolut pentru acest scop. Dați avantajele și dezavantajele posibile ale utilizării unui encoder optic în această aplicație.

6.45 Să presupunem că un sistem de control cu feedback (figura P6.45) este de așteptat să ofere o acuratețe în interiorul ± Δy pentru o variabilă de răspuns y. Explicați de ce senzorul care măsoară y ar trebui să aibă o rezoluție de ± (Δy/2) sau mai bună pentru ca această acuratețe să fie posibilă. O masă x–y are o deplasare de 2 m. Se preconizează că sistemul de control cu feedback va oferi o acuratețe de ± 1 mm. Un encoder optic este utilizat pentru a măsura poziția pentru feedback în fiecare direcție (x și y). Care este dimensiunea minimă de biți necesară pentru fiecare buffer de ieșire a encoderului? Dacă senzorul de mișcare utilizat este un encoder absolut, câte piste și câte sectoare ar trebui să fie prezente pe discul encoderului?

FIGURA P6.45 O buclă de control cu feedback

6.46 Impulsurile generate de discul de codare al unui encoder optic incremental au o formă aproximativ triunghiulară (de fapt, sinusoidal deplasată în sus). Explicați motivul pentru aceasta. Descrieți o metodă pentru convertirea acestor impulsuri triunghiulare (sau sinusoidale deplasate) în impulsuri dreptunghiulare.

6.47 Explicați cum poate fi îmbunătățită rezoluția unui encoder de arbore prin interpolarea impulsului. Mai exact, luați în considerare aranjamentul prezentat în figura P6.47. Când ferestrele de mascare sunt acoperite complet de regiunile opace ale discului în mișcare, nu se primește lumină de către fotosenzor. Nivelul maxim de lumină este primit atunci când ferestrele discului în mișcare coincid cu ferestrele discului de mascare. Variația intensității luminii de la nivelul minim la nivelul de vârf este aproximativ liniară (generând un impuls triunghiular), dar mai exact sinusoidală și poate fi dată de

unde θ este poziția unghiulară a ferestrei encoderului față de fereastra de mascare, așa cum se arată, Δθ este unghiul de pas al ferestrei. Rețineți că, în sensul impulsurilor dreptunghiulare, pulsul corespunde mișcării în intervalul Δθ/4 ≤ θ ≤ 3Δθ/4. Folosind această aproximare sinusoidală pentru un impuls, așa cum e dată mai sus, arătați că se poate îmbunătăți rezoluția unui encoder la nesfârșit, prin măsurarea formei fiecărui impuls la intervale de ciclu de tact folosind un semnal de tact de înaltă-frecvență.

FIGURA P6.47 Un encoder cu un disc de mascare

FIGURA P6.48 (a) Caracteristica I/O a unui trigger-Schmitt;
(b) un semnal de intrare triunghiular

6.48 Un declanșator trigger-Schmitt este un dispozitiv semiconductor care poate funcționa ca un detector de nivel sau un element de comutare cu histerezis. Prezența histerezisului poate fi folosită, de exemplu, pentru a elimina vibrația în timpul comutării cauzată de zgomot în semnalul de comutare. Într-un encoder optic, un semnal zgomotos detectat de fotosenzor poate fi format într-un semnal curat de impulsuri dreptunghiulare prin acest mijloc. Caracteristica I/O a unui trigger-Schmitt este prezentată în figura P6.48a. Dacă semnalul de intrare este așa cum se arată în figura P6.48b, determinați semnalul de ieșire.

6.49 Comparați și contrastați un encoder incremental optic cu un potențiometru oferind avantajele și dezavantajele pentru o aplicație care implică detectarea unei mișcări de rotație.

În figura P6.49 este prezentată o diagramă bloc pentru bucla de control servo a unei articulații de manipulator robot.

Comanda de mișcare pentru fiecare articulație a robotului este generată de controllerul robotului, în conformitate cu traiectoria necesară. Un encoder incremental optic este utilizat atât pentru feedback-ul de poziție cât și de viteză în fiecare servo-buclă. Rețineți că pentru un robot cu șase grade de libertate, vor exista șase astfel de bucle-servo. Descrieți funcția fiecărei componente hardware prezentate în figură și explicați operarea buclei servo.

După câteva luni de operare, s-a constatat că motorul unei articulații a robotului este defect. Un inginer entuziast a înlocuit rapid motorul cu unul identic, fără să-și dea seama că encoderul noului motor este diferit. În particular, encoderul inițial a generat 200 de impulsuri/rotație, în timp ce noul encoder a generat 720 de impulsuri/rotație. Când robotul a operat, inginerul a observat un comportament nefast și instabil la articulația reparată. Discutați motivele acestui comportament și sugerați o modalitate de a corecta situația.

FIGURA P6.50 Aranjament fotodiodă-detector al unui encoder optic liniar

6.50 (a) Un senzor de poziție este utilizat într-un sistem de control cu feedback bazat pe microprocesor pentru a muta cu acuratețe lamele tăietoare ale unei mașini automate de tăiat carne. Mașina face parte integrantă din linia de producție a unei instalații de procesare a cărnii. Care sunt principalele considerente în selectarea senzorului de poziție pentru această aplicație? Discutați despre avantajele și dezavantajele utilizării unui encoder optic în comparație cu un LVDT în acest context.

(b) Figura P6.50 ilustrează un aranjament al componentelor optice într-un encoder incremental liniar.

Placa de cod în mișcare are ferestre spațiate uniform, de obicei, iar placa de mascare fixă ​​are două grupuri de ferestre identice, una peste alta a celor două fotodetectoare. Aceste două grupuri de ferestre fixe sunt poziționate defazat la jumătate de pas, astfel încât atunci când un detector primește lumină de la sursa sa direct prin ferestrele aliniate ale celor două plăci, celălalt detector are lumina de la sursa lui aproape obstrucționată de placa de mascare.

Explicați scopul celor două seturi de unități fotodiodă-detector, oferind o diagramă bloc a electronici necesare. Poate fi determinată direcția de mișcare cu aranjamentul prezentat în figura P6.50? Dacă da, explicați cum se poate face acest lucru. Dacă nu, descrieți un aranjament adecvat pentru detectarea direcției de mișcare.

6.51 (a) Ce caracteristici și avantaje ale unui traductor digital îl vor distinge de un senzor pur analogic?

(b) Considerați un „encoder incremental liniar”, care este utilizat pentru a măsura pozițiile și vitezele rectilinii. Elementul în mișcare este o placă nemagnetică care conține o serie de zone magnetizate identic, distribuite uniform pe lungimea sa. Transponder-ul de preluare (pick-off) este un senzor de proximitate de tip inducție-reciprocă (adică, un transformator) format dintr-un miez toroidal cu o înfășurare primară și o înfășurare secundară. O diagramă schematică a encoderului este prezentată în figura P6.51. Excitația primară vref este o undă sinusoidală de înaltă frecvență.

FIGURA P6.51 Un codificator incremental liniar de tip inducție magnetică

Explicați operarea acestui encoder de poziție, indicând clar ce tipuri de condiționare a semnalului ar fi necesare pentru a obține un semnal de impuls pur. De asemenea, schițați ieșirea vo a senzorului de proximitate, dacă placa de cod se mișcă foarte lent. Ce poziție a plăcii de cod reprezintă o valoare high a semnalului impuls și ce poziție reprezintă o valoare low?

(c) Să presupunem că metoda „cronometrarea a perioadei de impuls” este utilizată pentru a măsura viteza (v) folosind acest encoder. Distanța de pas a spoturilor magnetice de pe placă este p, așa cum se arată în figura P6.51. Dacă frecvența de tact a cronometrului perioadei de impuls este f, dați o expresie pentru viteza v în funcție de numărul ciclurilor de tact m.

Arătați că rezoluția de viteză Δv pentru această metodă poate fi aproximată cu

Rezultă că intervalul dinamic v/Δv = pf/v.

Dacă frecvența de tact este de 20 MHz, pasul de cod este de 0,1 mm, iar domeniul dinamic necesar este de 100 (adică 40 dB), care este viteza maximă în m/s care poate fi măsurată prin această metodă?

6.52 Ce este un tahometru cu efect-Hall? Discutați despre avantajele și dezavantajele unui senzor de mișcare cu efect-Hall în comparație cu un senzor de mișcare optic (de exemplu, un encoder optic).

6.53 Discutați despre avantajele întrerupătoarelor de limită solid-state față de comutatoarelor de limitare mecanice. Întrerupătoarele de limită solid-state sunt utilizate în multe aplicații, în special în industria aeronautică și aerospațială. O astfel de aplicație este în controlul trenului de aterizare pentru a detecta condițiile de urcare, coborâre și blocare ale trenului de aterizare. Fiabilitatea ridicată este de cea mai mare importanță în astfel de aplicații. Timpul mediu între defecțiuni (MTBF) de peste 100.000 h este posibil cu întrerupătoarele de limită solid-state. Folosind judecata tehnică, acordați o valoare MTBF pentru un comutator de limită mecanic.

6.54 Întrerupătoarele de forță mecanice sunt utilizate în aplicații în care trebuie detectată doar o limită de forță, mai degrabă decât un semnal de forță continuu. Exemple includ detectarea forței de închidere (cuplul) în închiderea supapei, detectarea potrivirii în ansamblul pieselor, dispozitivele de strângere automată, dispozitivele de prindere și mâinile robotizate, dispozitivele de protecție la suprasarcină în monitorizarea procesului/mașinii și umplerea produselor în containere prin greutate. Senzorii de forță scumpi și sofisticați nu sunt necesari în astfel de aplicații, deoarece nu este necesar un istoric continuu al semnalului de forță. În plus, sunt robuști și fiabili și pot funcționa în siguranță în medii periculoase. Folosind o schiță, descrieți construcția unui comutator de forță simplu încărcat cu arc.

6.55 Considerați următoarele trei tipuri de contoare de obiecte fotoelectrice (sau detectoare de obiecte sau întrerupătoare de limită):

1. Tip printre (opus)
2. Tip reflectiv (reflexie)
3. Tip difuz (de proximitate, interceptiv)

Clasificați aceste dispozitive în detecții pe distanțe lungi (până la câțiva metri), pe distanțe intermediare (până la 1 m) și pe distanțe scurte (până la o fracție de metru).

6.56 O marcă de camere cu autofocalizare utilizează un sistem de control cu feedback bazat pe microprocesor, format dintr-un sistem de imagistică CCD, un microprocesor, un motor de acționare și un encoder optic. Scopul sistemului de control este focalizarea automată a camerei pe baza imaginii subiectului, așa cum este sesizată de o matrice de CCD (un set de tranzistoare cu efect de câmp MOSFET). Razele de lumină, de la subiect, care trec prin lentilă vor cădea pe matricea CCD. Acest lucru va genera o matrice (cadru de imagine) de semnale de sarcină, care sunt deplasate câte unul, rând cu rând, într-un buffer de ieșire (sau frame grabber) și transmise la microprocesor după condiționarea semnalului video rezultat. Imaginea CCD obținută prin eșantionarea semnalului video este analizată de microprocesor pentru a determina dacă camera este focalizată corect. Dacă nu, obiectivul este mutat de motor astfel încât să se realizeze focalizarea. Desenați o diagramă bloc pentru sistemul de control autofocalizat și explicați funcția fiecărei componente din sistemul de control, inclusiv encoderul.

6.57 Astăzi, procesarea imaginilor și vederea artificială sunt utilizate în multe sarcini industriale, inclusiv controlul procesului, monitorizarea, clasificarea modelului și recunoașterea obiectelor. Într-un sistem industrial bazat pe prelucrarea imaginilor, este utilizat ca element de detectare un element imagistic precum o cameră CCD. Camera oferă o imagine unui procesor de imagini dintr-o scenă legată de procesul industrial (măsurarea). Rezultatele calculate din procesorul de imagini sunt utilizate pentru a determina informațiile necesare despre proces (instalație).

O cameră digitală are o placă de imagine constând dintr-o matrice de elemente MOSFET. Sarcina electrică deținută de fiecare element MOSFET este proporțională cu intensitatea luminii care cade pe element. Circuitul de ieșire al camerei are un dispozitiv asemănător unui amplificator de sarcină (cuplat la condensator), care este alimentatat de fiecare element MOSFET. Elementul MOSFET care urmează să fie conectat la circuitul de ieșire la un moment dat este determinat de logica de control, care scanează sistematic matricea elementelor MOSFET. Circuitul condensator oferă o tensiune care este proporțională cu sarcina din fiecare element MOSFET.

(a) Desenați o diagramă bloc pentru un sistem de monitorizare a procesului bazat pe vedere artificială, care utilizează o cameră CCD. Indicați operațiunile necesare de modificare a semnalului în diferite etape ale buclei de monitorizare, arătând dacă sunt necesare filtre analogice, amplificatoare, ADC și DAC și, dacă da, în ce locații.

O imagine poate fi împărțită în pixeli (sau elemente de imagine) pentru reprezentare și procesare ulterioară. Un pixel are o locație de coordonate bine definită în cadrul imaginii, în raport cu un cadru de coordonate de referință. Într-o cameră CCD, numărul de pixeli pe cadru de imagine este egal cu numărul de elemente CCD din placa de imagine. Informațiile purtate de un pixel (în plus față de locația sa) sunt fotointensitatea (sau nivelul de gri) la locația imaginii. Acest număr trebuie exprimat sub forma digitală (folosind un anumit număr de biți) pentru procesarea digitală a imaginilor. Necesitatea unor rate foarte mari de manipulare a datelor reprezintă o limitare serioasă a unui controller în timp real care utilizează vederea artificială.

(b) Considerați un cadru de imagine CCD de dimensiunea 488 × 380 pixeli. Rata de actualizare a cadrului de imagine este de 30 de cadre/s. Dacă este nevoie de 8 biți pentru a reprezenta nivelul de gri al fiecărui pixel, care este rata de date asociate (baud)?

(c) Discutați dacă preferați procesarea hardware sau procesarea bazată pe software-programabil într-un sistem de monitorizare a proceselor bazat pe vedere artificială.