Jste zde

Magnetické lineární snímače pro měření posunu i rychlosti pohybu

Antonín Vojáček, 29. Říjen 2008 - 21:57

Pro měření pohybu se nemusí vždy použít rotační snímač a lineární posuv mechanicky převádět na rotační. Je možné použít i malé zapouzdřené bezkontaktní lineární magnetické snímače. Ty umožňují posuvy v rozsahu až 90 m měřit s přesností až 0,005 mm. Jejich výstup může být pulzní, TTL-RS422 nebo i analogový.

Mnoha průmyslových aplikacích je nutné co nejjednodušeji detekovat či měřit lineární pohyb (posuv). Ve většině případů se to stále provádí mechanickým převodem posuvu na rotační pohyb, který se pak následně měří například absolutním nebo inkrementálním rotačním snímačem (viz článek Inkrementální rotační senzory firmy Kubler). Ne každý však ví, že toto je možné provést jednodušeji i bez zmíněného převodu na rotační pohyb. K tomu slouží tzv. lineární magnetické snímače pohybu. Ty mohou představovat snadnější instalaci měření posuvu a následně i jednodušší údržbu. Zatímco mechanický převod, ať již jde o ozubený či třecí, je nutné v prašném prostředí často čistit, promazávat a pravidelně kontrolovat opotřebení, u lineárních magnetických senzorů to není nutné, protože zde nedochází žádnému přímému dotyku posunujícího objektu a senzoru. Samozřejmě pokud je nutné provést jen detekci zajetí předmětu do určité polohy, lze to elegantně vyřešit jen např. indukčnímu snímači. Pokud však chceme nebo je nutné přesně měřit samotný lineární pohyb s přesností až na tisíciny mm v rozsahu 0 až několik desítek metrů, jsou magnetické senzory vhodným řešením.

Princip a provedení magnetických lineárních snímačů

Princip funkce magnetických lineárních senzorů je založen na detekci změny polarity magnetického pole permanentního magnetu snímaného Hallovým senzorem. Na tom není nic tak světoborného. Zajímavé však je hlavně praktické provedení měření. Využívá se k tomu dlouhý (někdy i několik desítek metrů dlouhý) speciální magnetický pásek, který se umístí na rovnou plochu po celé délce pohybujícího se pohybujícího objektu (např. nosník nebo kryt). Například může jít až o 100 m pásek šířky 1 cm umístěný po celé délce (šířce) zasunovacích dveří.

Na pevné konstrukci či držáku, který se vůči pohyblivé ploše v klidu, se pak umístí zapouzdřený magnetický snímač, který v sobě obsahuje mimo vyhodnocující elektroniky i Hallův senzor. Protože magnetický pásek je vlastně "nekonečný" permanentní magnet, kde se pravidelně v podélném směru střídají oblasti severního a jižního magnetického póly, generuje se při jeho pohybu ve snímači střídavý impulsní nebo analogový elektrický signál. Ten sleduje fyzické střídání magnet. pólů na pásku a tím zjišťuje relativní pohyb pásku vůči snímači.

 

Snímač snímá střídání severního a jižního pólu permanentního magnetu (pásku)


 

Pokud se za sebe v jednom pouzdře vhodně umístí dva Hallovy senzory (Sine a Cosine sensor) získáme dvoukanálový výstup,
kde jsou oba signály vzájemně posunuty o 90° (podobně jako u rotačních optických senzorů). Lze tak snadno zjistit směr pohybu.

Z načítání snímačem generovaných impulsů lze měřit relativní pohyb v milimetrech či metrech nebo z periody jejich střídání lze měřit rychlost pohybu. Přesnost měření pak prakticky závisí jen na délce na pásce se střídajících magnetických plošek s opačnými póly. Max. měřená rychlost pohybu je pak dána reakční dobou magnetického snímače a také jeho vzdáleností od magnetického pásku, aby rychle střídající magnetické pole ještě generovalo v Hallově senzoru dostatečná napěťový signál.

Magnetický pásek je tvořen ze 3 komponent:
1 - magnetický pásek z ohebného materiálu, 2 - zmagnetizovaný ocelový pásek vytvářející stínění proti okolnímu mag. poli, 3 - podložka někdy také z oceli slouží k přilepení k podložce a ochraně magnet. vrstvy

  

Maximální rozlišení snímače je dána šířkou magnetických proužků na pásce

V závislosti na složitosti vnitřní elektroniky snímače pak bývá je běžný buď napěťový spínaný impulsní diferenciální výstup typu push-pull nebo analogový napěťový nebo proudový signál. Aby však bylo možné zjišťovat i směr pohybu, obvykle bývá snímač dvoukanálový. Zde jsou kanály vzájemně posunuty o 90°. Výstup tak bývá "dvojitý" (zvlášť kanál A a kanál B) a někdy i čtyřnásobný, kdy jsou k dispozici nejen kladné signály, ale i jejich negované výstupy. To platí jak pro spínané impulsní výstupy, tak pro analogové sinusové výstupní signály. Dvoukanálový výstup však není vytvářen dvojitou strukturou magnetického pásku, ale obvykle dvěma Hallovými senzory uvnitř jednoho pouzdra. U těch nejlepších provedení snímačů pak je pak k dispozici i třetí referenční Z kanál / signál definující určitý jeden vztažný bod na magnetickém pásku nebo nebo opakovaný referenční bod po určité předem dané vzdálenosti (např. po každých 10 cm). Zde však již je nutné použít

Výstup ze snímače může být buď analogový (napěťový nebo proudový) - vlevo nebo pulzní / obdélníkové - vpravo. Výstup bývá často tříkanálový, kde o 90° posunuté kanály A a B doplňuje referenční značka nebo pulz daná buď magnetickým páskem nebo elektronicky.

 

Lineární magnetický snímač složený ze snímací hlavy (snímače) a pásku (zde v provedení kroužku) lze svými výstupy
připojit na digitální počítadlo nebo k některému z PLC

 

Příklady lineárních mag. snímačů dostupných v ČR

Lineární měřící systém Kuebler Limes

Lineární měření systém Limes LI20/B1 a LI50/B2 je magnetický lineární snímač s magnetickou páskou pro měření posuvu rychlostí do 25 m/s v rozsahu 0 až 90 m s rozlišením až 10 mikrometrů. Magnetický pásek může být i v provedením kolečka pro hřídele průměru až 30 mm pro potřeby přesného bezkontaktního snímání rotačního pohybu. Ten se pak prodává v kombinaci se snímačem s označením RI20/LI20 a umožňuje pracovat až do 6 000 otáček/min s rozlišením 3 600 ppr, což odpovídá úhlu cca 0,1°.

Základní parametry:

  • Měřící rozsah (délka mag. pásky): až 50 m (příp. až 90 m)
  • Max. rychlost posuvu: až 25 m/s
  • Rozlišení: 10 až 100 mikrometrů (dle typu a rychlosti posuvu)
  • Absolutní systémová přesnost: typ. 200 mikrometrů
  • Opakovaná přesnost: +/- 1 dílek
  • Výstupní signály: 3 kanály, 6 signálů (A, neg. A, B, neg. B, I, neg. I)
  • Výstup: impulzní push-pull nebo TL signál RS-422
  • Vzdálenost snímač magnet. pásek: 0.1 až 1 mm (dop. 0.4 mm)
  • Napájení: 4,8 až 30 V DC
  • Spotřeba: typ. 25 mA
  • Rozměry pouzdra snímače: 10 x 25 x 40 mm
  • Krytí: IP67
  • Pracovní teplotní rozsah: - 20 až 80°C
  • Pouzdro: lité zinkové

 

Magnetické lineární enkodéry Balluff BML

V nabídce stále známějšího výrobce průmyslových senzorů je několik zajímavých lineárních magnetických snímačů BML-S1x0-Qxxx, které se vyznačují velkou přesností a u některých verzí až 2 mm vzdáleností magnetického snímače od magnetického pásku. Pro potřeby rychlého polohování lze využít snímání pohybu při rychlosti až 20 m/s v délkách do 24 m. Výstup je vždy 3kanálový, ale může být v impulsním, TTL nebo analogovém provedení. Samozřejmě je k dispozici opět i provedení s páskem v podobě kolečka.

  

Základní parametry:

  • Měřící rozsah (délka mag. pásky): až 48 m
  • Max. rychlost posuvu: až 20 m/s
  • Rozlišení: 1 až 200 mikrometrů (dle typu a rychlosti posuvu)
  • Systémová přesnost: +/- 10 až 100 mikrometrů
  • Výstupní signály: 3 kanály, 6 signálů (A, neg. A, B, neg. B, Z, neg. Z)
  • Výstup: impulzní push-pull, TTL signál RS-422 nebo analog. napěťový 1 Vpp
  • Vzdálenost snímač magnet. pásek: 0.1 až 2 mm (dle typy)
  • Napájení: 5 V DC nebo 10 až 30 V DC (dle typu)
  • Spotřeba: typ. 25 mA
  • Rozměry pouzdra snímače: 10 x 25 x 40 mm
  • Krytí: IP67
  • Pracovní teplotní rozsah: - 20 až 80°C
  • Pouzdro: lité zinkové

 

Použití

Magnetické lineární snímače pro měření posuvu lze použít v mnoha aplikacích, jako například:

  • Bezkontaktní měření lineárních posunů i natočení
  • Bezkontaktní měření rychlosti pohybu
  • Bezkontaktní polohování
  • Regulace pohybu a rychlosti
  • Snímání polohy válců a pístů
  • Jeřáby a manipulátory
  • Roboti a robotická ramena
  • Automatická okna, dveře, vrata
  • Pojízdné dopravníky
  • Vysokozdvihy, výtahy
  • Polohování antén, solárních panelů, dalekohledů
  • atd.

 

Závěr

Lineární magnetické snímače jsou zajímavou alternativou k dalším principům měření vzdáleností, ať již ke kontaktním rotačním snímačům či lankových senzorům nebo bezkontaktním indukčním snímačům ve funkci bezkontaktních koncových spínačů. Navíc při použití pásku v podobně kolečka lze jej bez problémů využít i pro bezkontaktní měření rotujících částí. Detailní informace o konkrétních snímačích najdete na stránkách jejich výrobců - viz odkazy níže.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz

DOWNLOAD & Odkazy

  • Domovská stránka společnosti BALLUFF, výrobce magnetických lineárních senzorů - www.balluff.cz
  • Domovská stránka společnosti Turck, v ČR dodavatele senzorů magnetických lineárních Kuebler - www.turck.cz
 
Hodnocení článku: