10η Ενότητα: Το υποσύστημα "αίσθησης"

Transcript

1 10η Ενότητα: Το υποσύστημα "αίσθησης" απαιτήσεις και επιδόσεις φυσικά μεγέθη γενική δομή και συγκρότηση ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. Χαμηλοθώρης ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ISL I nt el l i gent Syst ems Lab 1

2 Το υποσύστημα "αίσθησης" είσοδοι της μηχατρονικής διάταξης αντίληψη του "περιβάλλοντος" τροφοδοσία του με καθορίζει τις επιδόσεις συμβάλλει στο κόστος ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 2

3 Γενική δομή μετατροπή του "φυσικού" σήματος ενίσχυση προσαρμογή σε κατάλληλο πρότυπο για χρήση από τον με αναλογικό ηλ. σήμα (τάση ή ρεύμα) TTL (Transistor-Transistor Logic) φυσικό σήμα Μετατροπή ενέργειας, ανίχνευση Ενίσχυση προσαρμογή (conditioning) Κατάλληλο σήμα (με) ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 3

4 Μηχανικά αισθητήρια θέση μετατόπιση ταχύτητα επιτάχυνση κραδασμός κλίση προσέγγιση αποσταση δύναμη (πίεση,ροπή) γραμμικά + περιστροφικά ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 4

5 Αισθητήρια ρευστών πυκνότητα παροχή - ταχύτητα ιξώδες μάζα μορφή επιφάνειας ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 5

6 Ηλεκτρικά αισθητήρια ηλεκτρική τάση ηλ. ρεύμα αντίσταση χωρητικότητα σκέδαση ηλεκτρικό πεδίο μαγνητική ροή πολικότητα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 6

7 Θερμικά αισθητήρια θερμοκρασία ένταση ακτινοβολία (φάσμα) εικόνα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 7

8 Οπτικά αισθητήρια ένταση ανάκλαση μετάδοση διάχυση συμβολή πόλωση φάσμα εικόνα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 8

9 Ακουστικά αισθητήρια ένταση συχνότητα μετατόπιση συχνότητας συμβολή εικόνα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 9

10 Χημικά αισθητήρια συγκέντρωση οξύτητα οξειδοαναγωγή ιόντα αέρια ένζυμα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 10

11 11η Ενότητα: Επισκόπηση των οπτο-ηλεκτρονικών Η φωτεινή ακτινοβολία Φωτεινές πηγές (εκπομποί) Αισθητήρια φωτός ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. Χαμηλοθώρης ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ISL I nt el l i gent Syst ems Lab 11

12 Το φώς είναι η/μ ακτινοβολία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία υψηλής συχνότητας ταχύτητα στο κενό: c=3x10 8 m/s μήκος κύματος λ=c/f ακτίνες Χ Υπεριώδες Ορατό nm Υπέρυθρο nm 770 nm-10 μm μικροκύματα ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 12

13 Το φως ως ροή ενέργειας φωτεινότητα: ισχύς ανά μονάδα επιφανείας διαστάσεις επιφανειακής πυκνότητας watt/m 2 ανάλογη με 1/R 2 (σημειακή πηγή) απορρόφηση απώλεια ισχύος επιλογή συχνότητας διάθλαση διέλευση σε μέσο με διαφορετική ταχύτητα αλλαγή διεύθυνσης ανάκλαση απώλεια ισχύος πόλωση ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 13

14 Πηγές (φωτοβολούν, εκπέμπουν) λαμπτήρες πυρακτώσεως δίοδοι εκπομπής φωτός (L.E.D.) δίοδοι laser σωλήνες φθορισμού συσκευές πλάσματος laser αερίου ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 14

15 Αισθητήρες (ανιχνεύουν,εντοπίζουν) φωτοαντιστάσεις φωτοκύτταρα φωτο-δίοδοι φωτο-τρανζίστορ ολοκληρωμένα κυκλώματα (chip) ανίχνευσης ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 15

16 Σύνδεση με τα ψηφιακά στοιχεία (με) Ψηφιακό σήμα (με) Ενίσχυση Μετατροπή ενέργειας, εκπομπή φως φως Μετατροπή ενέργειας, ανίχνευση Ενίσχυση προσαρμογή (conditioning) Ψηφιακό σήμα (με) ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 16

17 12η Ενότητα: Πηγές φωτός Λαμπτήρες πυρακτώσεως Φωτοεκπομποί δίοδοι (LED) Ακτινοβολία σε φάση (Laser) ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. Χαμηλοθώρης ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ISL I nt el l i gent Syst ems Lab 17

18 Λαμπτήρας πυρακτώσεως λεπτό μεταλλικό σύρμα, συνήθως Τανγκστένιο (Tu) ή Βολφράμιο (Vo) ευσταθής λειτουργία (όχι "thermal runaway"): αύξηση του ρέυματος αύξηση της θερμοκρασίας αύξηση της αντίστασης περιορισμός του ρεύματος αυτόματη ρύθμιση ισχύος ή εύρους ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 18

19 Φωτοεκπομπός δίοδος (LED) Light Emitting Diode ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 19

20 Φωτοεκπομπός δίοδος: χαρακτηριστικά στερεά κατάσταση, χαμηλό κόστος μεγάλη ενεργειακή απόδοση, αμελητέα παραγωγή θερμότητας μεγάλη μηχανική αντοχή (π.χ. σε επιτάχυνση, κραδασμό) σήμερα: ερυθρό, πράσινο, κίτρινο. και τώρα και: μπλέ, "λευκό" ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 20

21 Χρήσεις των LED ευρύτατη χρήση σε επικοινωνία ανθρώπουμηχανής (MM interface): ενδείξεις οθόνες σηματοδότες ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 21

22 Συνήθης μορφή πολύ χαμηλό κόστος (<10 δραχμές) τυποποιημένες διαστάσεις 3/5/8 mm ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 22

23 Ηλεκτρική σύνδεση περιορισμός ρεύματος με μια αντίσταση σε σειρά με τη δίοδο I max όρια ρεύματος (τυπικά 20 ma συνεχώς) V f πτώση τάσης δια μέσω της διόδου (τυπικά 1,7-2,1 Volt) +5 V R LED = V s -V f I max 220 R GND RD 1,8V ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 23

24 Χαρακτηριστικά χρήσης έλεγχος μέσω πηγών ρεύματος ή διακοπτόμενων πηγών τάσης δυνατότητα διαμόρφωσης σε πολύ υψηλές συχνότητες (MHz) - χρήση στη μεταφορά δεδομένων πολλές χρήσεις στην "εγγύς" υπέρυθρη περιοχή (near infrared) nm (1μm) παρεμβολές κυρίως από λαμπτήρες φθορισμού και ηλιακό φως ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 24

25 Δίοδοι LASER (όχι) σύνθετες συσκευές (ιονισμός αερίου) σε χαμηλή ισχύ, απλά στοιχεία στερεάς κατάστασης (δίοδοι) σε συνδυασμό με ολοκληρωμένα για τροφοδοσία υψηλής τάσης και συχνότητας ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 25

26 13η Ενότητα: Αισθητήρια φωτός Φωτοαντιστάσεις Φωτοδίοδοι-φωτοτρανζίστορ πυρόμετρο ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. Χαμηλοθώρης ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ISL I nt el l i gent Syst ems Lab 26

27 Φωτοαντιστάσεις τα προσπίπτοντα φωτόνια απελευθερώνουν φορείς ηλ. ρεύματος στο υλικό του φωτοαγώγιμου υλικού περισσότερο φώς, περισσότεροι φορείς, μικρότερη αντίσταση αργή απόκριση! ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 27

28 Στοιχεία CdS συνηθέστερος τύπος: στοιχείο Καδμίου- Σελινίου (CdS cell) τυπική μεταβολή της αντίστασης κατά 1-5 kohm, ανάλογα με τη φωτεινότητα αναλογικά! φωτοκύτταρα? ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 28

29 Συνήθης τρόπος σύνδεσης Διαιρέτης τάσης ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 29

30 Φωτοδίοδοι-φωτοτρανζίστορ βάση ελεγχόμενη (και) από το φώς δίοδοι-τρανζίστορ: παρόμοια λειτουργία ταχύτατη απόκριση (έως GHz) χαμηλό κόστος, υψηλή αξιοπιστία ορατό και υπέρυθρο φως ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 30

31 Σύνθετα αισθητήρια αναγνώριση διαμορφωμένου φωτός ολοκληρωμένο σύστημα khz ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 31

32 14η Ενότητα: Εφαρμογές των φωτοηλεκτρονικών ανίχνευση θέσης σειριακή επικοινωνία ηλεκτρική απομόνωση ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. Χαμηλοθώρης ΜΗΧΑΤΡΟΝΙΚΗ ISL I nt el l i gent Syst ems Lab 32

33 Ανίχνευση θέσης (κίνησης) χρήση της ανακλώμενης ακτινοβολίας ολοκληρωμένα αισθητήρια 0,1-5 mm βήματα..! ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 33

34 Ανίχνευση εμποδίων Εκπομπή παλμών συχνότητας khz IR μήκος κύματος nm σύνθετο αισθητήριο (φίλτρο) εντοπισμού της συχνότητας διαμόρφωσης ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 34

35 Ηλεκτρική απομόνωση οπτοαποζεύκτης (optocoupler) οπτοαπομονωτής (optoisolator) αναλογική ή ψηφιακή μετάδοση χωρίς «ηλεκτρική επαφή» απομόνωση του ηλ. δυναμικού (π.χ. διαφορά δυναμικού γής, στιγμιάια υπέρταση, βραχυκύκλωμα κλπ.) συμπαγές, ανθεκτικό, μικρή κατανάλωση ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 35

36 Ολοκληρωμένος οπτοαπομονωτής διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού V Sharp Toshiba NEC Infineon Phillips Vishay National Texas Instruments Hewlett-Packard ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 36

37 Υπέρυθρη σειριακή επικοινωνία επέκταση της βασικής τεχνικής για ανίχνευση εμποδίου (το ίδιο κύκλωμα) ανάλογα με την ισχύ του LED, μέγιστη ακτίνα περίπου 10 m μετάδοση σε χαμηλές ταχύτητες (4800 baud) ΤΕΙ Πειραιά Καθηγητής Γ. 37