mechatronik

MECHATRONICI


MECHATRONIKOM


Návod na použitie

Táto publikácia je určená výhradne pre účely štúdia mechatroniky a automatizácie najmä žiakmi stredných odborných škôl. Je zostavená z príspevkov nadšencov mechatroniky a automatizácie a je voľne využiteľná pre všetkých so záujmom pre tieto moderné odvetvia techniky. V obsahu sú zámerne neuvedené strany jednotlivých kapitol, pretože táto publikácia je priebežne dopĺňaná a keďže technický vývoj nezastane ani dopĺňanie tejto publikácie nebude dúfame nikdy konečné. Ak Vám pomohla vo Vašej snahe pri získavaní vedomostí môžete ju aj Vy doplniť o to čo podľa Vás v nej ešte chýba zaslaním svojho príspevku s návrhom jeho umiestnenia, prostredníctvom uvedenej mailovej adresy a jej momentálny správca zabezpečí potrebné...


Obsah :
1 Naša adresa

2 Mechatronický výrobok
2.1 Mechatronický výrobok
2.1.1 Charakteristika mechatronického výrobku
2.2 Metodické kroky pri návrhu mechatronického výrobku
2.3 Inteligentné materiály v mechatronike
2.4 Moderné technológie používané v mechatronike
2.5 Príklady a ukážky mechatronických výrobkov

3 Senzory v automatických a mechatronických sústavách
3.1 Úvod
3.1.1 Definícia senzoru
3.1.2 Inteligentné senzory
3.1.3 Štruktúra inteligentných senzorov
3.2 Senzory polohy
3.2.1 Optoelektronické senzory
3.2.1.1 Optoelektronické zdroje
3.2.1.2 Kamerové systémy
3.2.2.2 Kapacitné senzory bezdotykové
3.2.3 Odporové senzory
3.2.3.1 Odporové senzory analógové
3.2.3.2 Odporové senzory kontaktové
3.2.4 Dotykové maticové senzory
3.2.4.1 Hrotové maticové senzory
3.2.4.2 Piezorezistívne a piezoelektrické maticové senzory
3.2.4.3 Optoelektronické maticové senzory
3.2.5 Indukčnostné senzory
3.2.5.1 Indukčnostné senzory binárne
3.2.5.2 Lineárny senzor polohy FLDT
3.2.5.3 Lineárny senzor polohy LVDT
3.2.6 Magnetostrikčné senzory
3.2.7 Magnetické senzory rotačné, lineárne
3.2.8 Fluidné senzory
3.2.9 Ultrazvukové senzory
3.3 Senzory teploty
3.3.1.1 Dotykové senzory teploty
3.3.1.2 Termoelektrické senzory
3.3.1.3 Polovodičové senzory PN
3.3.2 Bezdotykové senzory (pyrometre)
3.3.2.1 Termovízne systémy s maticovým detektorom
3.3.3 Indikátory teploty
3.4 Senzory sily, tlaku a hmotnosti
3.4.1 Odporové tenzometre
3.4.2 Deformačné členy
3.4.3 Piezoelektrické senzory
3.4.4 Kapacitné senzory
3.4.5 Optoelektronické vláknové senzory (OVS)
3.4.6 Senzory momentu sily
3.5 Senzory zrýchlenia
3.5.1 Kapacitný akcelerometer MEMS
3.5.2 Rotačný akcelerometer
3.5.3 Elektrodynamický akcelerometer
3.6 Senzory prietoku
3.6.1 Objemové senzory

4 Akčné členy automatických a mechatronických sústav
4.1 Elektromechanické akčné členy
4.1.1 Akčné členy s magnetickým poľom
4.1.1.1 Jednotky s posuvným pohybom
4.1.1.2 Elektrické motory ako akčné členy
4.1.1.2.1 Asynchronné motory s frekvenčným riadením s pulzne- šírkovou moduláciou
4.1.1.2.2 Zvláštne asynchrónne motory.
4.1.1.2.3 Synchrónne motory s permanentnými magnetmi
4.1.1.2.4 Jednosmerné motory a ich riadenie
4.1.1.2.5 Pokročilé jednosmerné motory
4.1.1.2.6 Krokové motory
4.1.1.2.7 Relunktačné motory
4.1.1.2.8 Lineárne pohybové systémy
4.1.2 Akčné členy s elektrickým poľom
4.1.3 Akčné členy využívajúce vlastnosti inteligentných materiálov
4.1.3.1 Materiály s tvarovou pamäťou
4.1.3.2 Piezoelektrické materiály
4.1.3.3 Piezoelektrické akčné členy
4.1.3.3.1 Piezoelektrické akčné členy s posuvným pohybom
4.1.3.3.2 Piezoelektrické akčné členy s rotačným pohybom – ultrazvukové motory
4.1.3.3.3 Piezoelektrické rezonátory
4.1.3.3.4 Ultrazvukové výkonové prevodníky
4.1.3.3.5 Piezoelektrický transformátor
4.2 Pneumatické akčné členy
4.3. Hydraulické akčné členy
4.4 Porovnanie elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčných členov
4.5 Inteligentné mikroelektromechanické systémy (MEMS)

5. Riadenie mechatronických sústav, automatizácia a riadiace systémy
5.1 Význam riadiacej techniky pre mechatroniku
5.2 Riadenie a automatizácia v našom živote
5.4 Riadiaci systém a komunikácia s okolím
5.5 Typy a algoritmy riadenia
5.5.1 Riadená sústava
5.5.2 Algoritmus riadenia
5.5.3 Dopredné a spätnoväzbové riadenie
5.5.4 Číslicové, logické a hybridné algoritmy
5.5.5 Statické a dynamické, kombinačné a sekvenčné systémy
5.5.6 Príklady regulačných algoritmov
5.5.7 Logické riadenia
5.6 Distribuovanosť a integrácia v automatizácii
5.6.1 Distribuované systémy
5.6.2 Integrovaná a globálna automatizácia
5.7 Prehľad riadiacich systémov
5.7.1 Riadiaci systém – úvaha o terminológii
5.7.2 Riadená sústava
5.7.3 Programovateľný automat, PLC(Programmable Logic Controller)
5.7.4 SoftPLC
5.7.5 Programovateľný logický modul, múdre relé
5.7.6 Priemyselný počítač
5.7.8 Operátorské rozhranie
5.7.9 Regulácia a regulátory
5.7.10 Distribuovaný regulačný systém IRC
5.7.11. Regulátory pohonov
5.7.12 Systém NC a CNC
5.7.13 Riadenie pohybu, polohy a dráhy v PLC, Motion Control

6 Inteligentné riadenie mechatronických sústav
6.1 Úvod
6.2 Chytrosť a inteligencia
6.3 Minimum o fuzzy logike
6.3.1 Dôvody pre fuzzy logiku
6.3.2 Zjednodušený výklad
6.3.3 Fuzzy zovšeobecnenie logických výrazov
6.3.4 Fuzzy diagnostický systém
6.3.5 Typický postup a štruktúra fuzzy systému
6.3.6 Fuzzy zovšeobecnenie AND, OR, NOT
6.3.7 Typické použitie fuzzy algoritmov
6.4 Neurónové siete
6.4.1 Od prahových funkcií k neurónom
6.4.2 Umelé neurónové siete
6.5 Genetické algoritmy

7 Návrh mechatronickej sústavy
7.1 Mechatronický postup k procesu návrhu sústavy
7.1.1 Tradičná metodika konštruovania strojných sústav
7.1.2 Mechatronický spôsob konštruovania strojných sústav
7.2 Štruktúra mechatronických sústav a základné princípy ich návrhu
7.2.1 Základná štruktúra
7.2.2 Modularizácia a hierarchizácia
7.2.3 Integrácia činností a priestorová integrácia
7.3 Špeciálne hľadiská vývoja a konštruovanie mechatronických sústav
7.3.1 Komunikácia a kooperácia medzi expertmi z jednotlivých odborov
7.3.2 Väčšia zložitosť sústavy
7.3.3 Tvorba virtuálnych prototypov
7.4 Metodika mechatronického návrhu
7.4.1 Postup
7.4.2 Cyklus návrhu na mikroúrovni (mikrocyklus)
7.4.3 Cyklus návrhu na makroúrovni (makrocyklus)
7.4.4 Pracovný postup pre opakujúce sa pracovné kroky
7.5 Návrh sústavy založený na makete
7.5.1 Modelovanie
7.5.2 Postup návrhu sústavy založený na modeli
7.6 Nástroje
7.7 Príklady návrhu mechatronických sústav
7.7.1 Návrh a optimalizácia konštrukcie humanoidného robota
7.7.2 Návrh viacsúradnicového pohonu
7.8 Slovník pojmov

8. Užívatelia a kľúčové trhy
8.1.1 Užívatelia
8.1.2 Kľúčové trhy
8.2 Výrobný systém
8.2.1 Strojárenská výroba a informačné technológie
8.2.1.1 Kybernetický výrobný systém
8.2.2 Výrobné stroje
8.3 Nevýrobný systém
8.3.1 Telekomunikácia a sieťové produkty
8.3.2 Lekárstvo
8.3.3 Technické vybavenie budov
8.3.3.1 Domáca automatizácia
8.3.3.2 Zabezpečenie budov
8.3.4 Spotrebný tovar
8.4 Dopravné systémy
8.4.1 Doprava cestná
8.4.2 Doprava koľajová, lodná a letecká
8.5 Odborné školstvo

9 Spoľahlivosť a diagnostika mechatronických sústav
9.1 Úvod
9.1.1 Definícia technickej diagnostiky
9.1.2 Spoľahlivosť
9.1.3 Predpoveď porúch- predikácia
9.1.4 Význam technickej diagnostiky pre mechatroniku.
9.2 Spoľahlivosť
9.2.1 Spoľahlivosť funkcií strojov, zariadení a systémov
9.2.1.1 Triedenie porúch
9.2.2 Základy pravdepodobnosti a spoľahlivosti
9.2.2.1 Definícia pravdepodobnosti
9.2.2.2 Definícia javov
9.2.2.3 Náhodná veličina (premenná)
9.2.2.4 Axiómy pravdepodobnosti
9.2.2.5 Základy teórie spoľahlivosti
9.2.2.6 Ukazovatele spoľahlivosti
9.2.2.7 Najpoužívanejšie ukazovatele spoľahlivosti
9.2.3 Výpočet spoľahlivosti a pravdepodobnosti
9.3 Údržba strojov a zariadení
9.3.1 Spôsoby údržby a jej organizácia
9.3.2 Údržba po poruche
9.3.3 Údržba v plánovanom čase
9.3.4 Údržba podľa skutočného času
9.3.4.1 Posúdenie stroja
9.3.4.2 Porovnávanie s medznými veličinami
9.3.4.3 Prognóza zostávajúcej životnosti stroja
9.4 Metódy technickej diagnostiky
9.4.1 Metóda prevádzkovej diagnostiky
9.4.2 Metóda operatívnej diagnostiky
9.4.3 Metóda preventívnej diagnostiky
9.4.4 Diagnostika vibračná, hluková, tribo a thermo
9.4.4.1 Zobrazenie harmonického kmitania v časovom a frekvenčnom merítku
9.4.4.2 Špičková, stredná, efektívna hodnota kmitania
9.4.4.3 Akustická diagnostika
9.4.4.4 Tribotechnická diagnostika
9.4.4.5 Termodiagnostika
9.5 Automatická diagnostika
9.5.1 Základné princípy
9.5.1.1 Postup pri tvorbe automatickej technickej diagnostiky
9.5.1.2 Diaľková diagnostika
9.5.1.3 Telefonická diagnostika
9.5.2 Hardwarová automatická technická diagnostika
9.5.3 Softwarová automatická technická diagnostika
9.5.4 Zber dát
9.5.4.1 Vyhodnotenie a rozhodovanie
9.5.4.2 Indikácia stavu
9.5.4.3 Komunikácia
9.5.4.4 Opravy ručné a automatické
9.6 Technická diagnostika mechatronických a pružných výrobných systémov
9.6.1 Diagnostika mechatroniky strojov
9.6.2 Diagnostika riadiacich systémov a ovládanie strojov
9.6.3 Autodiagnostika
9.7 Expertné systémy pre technickú diagnostiku
9.7.1 Aplikácia princípov umelej inteligencie (A.I.)
9.7.2 Predikácia
9.7.2.1 Sledovanie parametrov
9.7.2.2 Kritérium
9.7.2.3 Matematické riešenie
9.7.2.4 Určenie koeficientu a aproximačnej krivky
9.7.2.5 Určenie času t sig a tv
9.7.2.6 Záver
9.7.3 Príklad expertného systému
9.7.3.1 Expertný systém pre údržbu
9.7.3.2 Skladba systému
9.7.4 Moderné metódy údržby a technické diagnostiky
9.7.4.1 Preventívna údržba
9.7.4.2 Bezdemontážna diagnostika
9.7.4.3 Monitoring
9.7.4.4 Predikcia
9.7.4.5 Expertné systémy
9.7.4.6 Samoopraviteľnosť
9.7.4.7 Umelá inteligencia
9.8 Záver
9.8.1 Zhodnotenie súčasného stavu
9.8.2 Smer ďalšieho vývoja

1 Naša adresa

[email protected]

2 Mechatronický výrobok
2.1 Mechatronický výrobok
Výrobky, ktoré sú výsledkom postupov podľa princípu mechatroniky, sa vyznačujú použitím pokrokových materiálov, novými technologickými účinkami, špičkovými technickými vlastnosťami a účelovou strojovou inteligenciou, umožňujú im buď autonómnu činnosť, alebo racionálne včlenenie do nadriadeného riadiaceho systému. Takéto výrobky označujeme ako mechatronické.

2.1.1 Charakteristika mechatronického výrobku
Nejde zmiešavať mechatronické výrobky s mechanickými, aj keď môžu obsahovať elektronické prvky (usmerňovače, zosilňovače, regulátory). Mechatronickými sa stávajú až vtedy, keď vykazujú naviac aj určitý stupeň inteligencie, ktorý bol umožnený až rozvojom mikroelektroniky (programovateľnosť, samoregulovateľnosť).
Pre mechatronické výrobky sú typické také mikroelektronické prvky, ako napr. mnohoslučkové, predovšetkým číslicové regulátory, signálové procesory, neutrónové siete a pod. snímače a meniče energie sú často veľmi nekonvenčné, lebo využívajú nové princípy i materiály (napr. kompozity, zliatiny s tvarovou pamäťou a pod.)
Perspektívne sa dá u mechatronických produktov očakávať inteligentné chovanie vyššieho stupňa, ako je:
-poskytovanie rád užívateľom,
-diagnostika vlastných chýb,
-opravovanie sa pomocou vlastnej rekonfigurácie,
-učenie sa na základe získaných skúseností s cieľom zlepšiť vlastné chovanie v ďalších podobných situáciách,
-organizácia vlastnej spolupráce s ďalšími inteligentnými strojmi,
-reorganizovanie sa s cieľom zlepšenia vlastných schopností prispôsobiť sa zmenám okolia.
Zvyšovaním inteligenčnej úrovne výrobku sa dá zaistiť jeho vyššiu univerzálnosť, prispôsobivosť, prevádzkovú bezpečnosť a ekologickosť. S inteligenciou sa dá zlepšiť aj ergonomickosť výrobku- môže byť ľahko ovládateľný, udržiavateľný a opraviteľný. Konečný cieľ všetkých týchto zmien vlastností výrobku je ekonomický- poskytnutím dokonalejšej ponuky zákazníkom dosiahnuť lepšie uplatnenie výrobku na trhu.

Rozdelenie mechatronických výrobkov
Bez nároku na úplnosť sa dajú mechatronické výrobky rozdeliť na:
a/ mechanické zariadenia s integrovanou elektronikou
-visuté vznášajúce sa systémy, tlmiče vibrácií, prevodovky. Zubové, reťazové a remeňové pohony, mechanické alebo magnetické ložiská, trecie alebo elastické spojky.
b/ presné prístroje s integrovanou elektronikou
-telekomunikačné zariadenia, predmety spotrebnej elektroniky, zariadenia spracúvajúce dáta, senzory a akčné členy, prístroje pre medicínu.
c/ stroje s integrovanou elektronikou
-stroje vytvárajúce energiu (pohony elektrické, pneumatické a hydraulické, vodné, parné alebo plynové turbíny, spaľovacie motory a pod.)
-stroje spotrebovávajúce energiu (elektromotory, čerpadlá, kompresory, obrábajúce stroje, roboty, tlačiarenské stroje, dopravné prostriedky a pod.).

2.2 Metodické kroky pri návrhu mechatronického výrobku
Životný cyklus každého výrobku sa skladá zo šiestich nasledujúcich nadväzujúcich fáz:
-vytvorenie špecifikácie a plánovanie- cieľom je formulovať požiadavky kladené na výrobok v podobe funkcií a výkonov, parametrov, časovej dostupnosti, potrebných investícií a ďalších špecifikácií. Úspech v nasledujúcich fázach je závislý na dosiahnutých výsledkoch práve tu. Tiež pre trh je tvorba špecifikácie výrobku základnou požiadavkou.
-koncepčný návrh- je vytvorená základná predstava o funkciách výrobku. Je prevedená štúdia realizovateľnosti výrobku. V tejto etape sa plne prejaví návrhová tvorivosť. Okrem investície sa uplatnia aj metódy pre podporu tvorivosti.
-konštrukcia výrobku a technická príprava výroby- ide o obvykle najnáročnejšiu etapu technickej prípravy navrhnutého výrobku. Základnou metódou riešenia je tzv. paralelné (concurrent) navrhovanie. Snahou je, aby všetky potrebné kroky prevádzal tým súčasne (tj. urýchlená výmena informácií a vzniknutých medzivýsledkov medzi konštruktérmi a technológmi, napr. z hľadiska obrobiteľnosti častí konštrukcie).
-výroba výrobku- ide o technologické operácie pri vlastnej výrobe konkrétneho výrobku. Z hľadiska mechatroniky sú dôležité poznatky o riadení kvality, znižovania nákladov a o postupoch výrobku v hromadnej výrobe.
-použitie výrobku- výrobok sa vyskytuje na trhu a po zakúpení u zákazníka- užívateľa. Musí sa tu uplatňovať spätná väzba od trhu k špecifikácii výrobku (daného, alebo budúceho).
-likvidácia výrobkul- každý konkrétny výrobok po určitom čase starne a je na trhu nahradený iným. Z hľadiska ekológie je zaujímavá možnosť recyklácie pôvodného výrobku.

2.3 Inteligentné materiály v mechatronike
Nová generácia technológií- technológie smart materiálov a štruktúr, predstavuje sofistikovanú sieť snímačov a akčných členov, schopnosť vyhodnocovania a riadenia v reálnom čase a hostiteľskú štruktúru. Nutnosť syntézy materiálov a štruktúr so samoadaptabilnými a samokorekčnými charakteristikami je daná požiadavkou dosiahnutia optimálneho chovania v priebehu premenných podmienok prevádzky. Existuje niekoľko vlastností smart materiálov a štruktúr, ktoré sa stali cieľom výskumu. Sú to: zmenia rozloženia a hmotnosti, tuhosti a disipačných charakteristík, napr. na účely riadeného kmitania. Dá sa tak navrhovať sústavy s riadenou amplitúdou kmitania, veľkosti frekvencie a prechodovou charakteristikou. Ďalším cieľom je zmena geometrickej štruktúry.

Smart štruktúry a inteligentné materiálové systémy
Smart materiál je materiál, ktorý zabezpečuje funkciu snímania a akčného pôsobenia, pritom jednotlivé prvky sú veľmi dobre integrované v rámci samotnej materiálovej štruktúry. Ide vlastne o biologicky inšpirovaný materiál, ktorý dokáže detekovať stav okolitého prostredia. Informácie o ňom spracováva v riadiacom obvode a reaguje na nich daným spôsobom, ktorý zlepšuje chovanie štruktúry s ohľadom na náš cieľ riadenia. Je to vysoký stupeň integrácie na mikromateriálovej úrovni, ktorý činí smart materiály zaujímavou komoditou. Prekonáva hlavnú nevýhodu bežných riadení štruktúr, ktoré spočíva vo veľkej nekompaktnosti, keď jednotlivé prvky zabezpečujúce snímanie, riadenie a aktívne pôsobenie sú súčasťou samostatných štruktúr. Koncepcia smart materiálov sa úspešne presadzuje v strojárstve i v nestrojárenských disciplínach, pritom jednou z sľubných oblastní je aplikácia rôznych materiálov, ako sú napr. zliatiny a polyméry s tvarovou pamäťou, piezoelektrické materiály, magnetostrikčné a elektroreologické kvapaliny.

Smart štruktúry predstavujú také sústavy, ktoré umožňujú snímať vnútorné podnety a aktívnym riadením na ne reagovať v reálnom čase. Predstavujú integráciu akčných členov, snímačov a riadení do materiálov alebo konštrukčných prvkov.

V súčasnosti sú vo vývoji tieto smart materiály a štruktúry:
1.syntéza nových materiálov na molekulárnej úrovni s cieľom produkovať nové materiály so smart funkciou.
2.vývoj nových materiálov syntézou kompozitných materiálov zo známych prvkov. Aktívne prvky sú buď implementované, alebo pripojené na bežný skelet (štrukturálny smart).

Elektroreologické kvapaliny a ich magnetické analógie ferokvapalín predstavujú pokročilú triedu kompozitných materiálov so samoladiacími vlastnosťami. Viskozita týchto kyselín sa mení pri aplikácii elektrického poľa. Typickým predstaviteľom smart senzorov sú piezokeramické materiály, optické vlákna a polyméry.

Smart štruktúry často pozostávajú z tenkých komponentov ako sú nosníky, dosky, škrupiny, kompozitné materiály, ktoré majú v medzivrstvách piezokeramické listy, vodiče pamätajúce si tvar alebo dutiny naplnené elektroreologickou kvapalinou.

Zliatiny pamätajúce si tvar (SMA- Shape Memory Alloys)- sú kovové zliatiny, ktoré sa po deformácii a následnom ohriatí na určitú teplotu deformujú (vracajú) späť do pôvodnej polohy. Najznámejšie sú zliatiny Ni a Ti, tzv. nitinol zliatiny (NiTiNOL- Ni-nikel, Ti- titan, NOL- Naval Ordonance Laboratory, pribl. 57% Ni). Makroskopické chovanie SMA je nasledujúce: vzorka SMA sa podrobí skúšobnej procedúre tak, že sa najprv namáha ťahom (pokiaľ nevznikne plastická deformácia), potom sa odľahčí a nakoniec sa ohreje na určitú teplotu. Po odľahčení je vzorka dlhšia než bola pôvodná dížka (bola prekročená medz sklzu), má teda plastickú deformáciu. Pri ohreve tejto vzorky sa vráti do pôvodného stavu. Toto typické chovanie materiálu sa nazýva kvaziplastické alebo efekt tvarové pamäti. Maximálne vratné deformácie predĺžením pre Ni-Ti je 8% a pre zliatiny medi je medzi 4-5%.

Výhody použitia SMA:
-jednoduchosť, kompaktnosť a spoľahlivosť mechanizmu (obvykle akčný člen tvorí elektrický aktivovaný drôt SMA, resp. pružina).
-Vytvorenie čistých, tichých, beziskrových a bezgravitačných pracovných podmienok.
-Prostredie je bezprašné, neexistuje trenie. Činnosť je takmer bezhlučná- nie sú prítomné kmitajúce prvky. SMA akčné členy reagujú už na zrýchlenie niekoľko µg (využitie v kozmických aplikáciách).
-Vysoký koeficient výkon/hmotnosť v nízkych hmotnostných oblastiach (100g), z čoho vyplýva adaptívne použitie ako mikroakčné členy.
-Odolnosť voči korózii a biokompatibilita.

Nevýhody použitia SMA:
-nízka energetická účinnosť. Konverzia tepla na mechanickú prácu ma podstatne menšiu účinnosť, ktorá je v značnej miere určená návrhom a tvarom SMA akčného členu.
-Limitovaný rozsah následkom reštrukcie pri ohrievaní a chladení. Ohrievanie SMA akčných členov sa realizuje radiáciou alebo vedením a použitím odporu. Najrozšírenejšie je odporové ohrievanie pre jeho rýchlu odozvu. Rýchlosť ochladzovania je obmedzená hlavne chladiacou kapacitou.
-Degradácia a únava- parametre, ktoré majú životnosť, sa delia na interné (zloženie zliatiny, spôsob ohrevu a spracovanie) a externé (čas, teplota, napätie, predĺženie a počet cyklov).
-Komplexné riadenie- SMA vykazujú trojrozmerné termomechanické chovanie s hysteréziou. Medzi teplotou a polohou alebo silou nie je lineárny vzťah a preto polohové alebo silové akčné pôsobenie vyžaduje výkonné regulátory a experimentálne určenie rady údajov.
Smart materiály so zapustenými SMA elementmi- akčné pôsobenie SMA sa môže uskutočňovať diskrétnymi SMA elementmi, alebo SMA elementmi, ktoré sú integrované do základného nosného materiálu. V porovnaní s bežnými materiálmi na snímanie a akčné pôsobenie majú niekoľko výhod:
-značne väčšie vratné predĺženie až do 8%
-schopnosť generovať napätie až do 800MPa
-veľké vratné zmeny mechanických a fyzických charakteristík
-veľkú disipačnú schopnosť
-schopnosť generovať postupne sa zvyšujúce napätie a predĺženie.

Zapustením SMA elementov do základného polymérového materiálu, resp. Kompozitu, sa dajú vytvárať nové materiálové charakteristiky:
-zlepšené tvarovo-pamäťové charakteristiky (väčší tvarovo-pamäťový efekt a menši degradačný efekt)
-zlepšené štrukturálne charakteristiky (lepšie únavové vlastnosti a stabilita)
-kombinované charakteristiky (nastaviteľný, laditeľný tvar)
-úplne nové charakteristiky (nastaviteľná, laditeľná tuhosť, a teda i uhlová frekvencia).

Piezoelektrické materiály
Piezoelektricita je schopnosť určitých kryštalických materiálov vytvárať elektrický náboj, ktorý je úmerný mechanickému napätiu. Inverzný efekt vznikne vtedy, ak sa pri aplikácii elektrického napätia kryštalický materiál deformuje. Teda u piezomateriálov rozlišujeme priamy a inverzný piezoelektrický efekt. Vyskytuje sa len pri teplote nižšej než je Curieova transformačná teplota. V súčasnosti sa namiesto názvu piezoelektrický kryštál používa pojem piezoelektrická keramika. Najčastejšie používanými piezoelektrockými materiálmi sú polykryštalické keramiky, zložené z kompozít Pb-Zr-TI a Ba-Ti. Pridaním špecifických aditív sa potom špecifikujú dielektrické, piezoelektrické a fyzikálne vlastnosti. Aplikovaním silného statického el. poľa sa keramický materiál stane anizotropným, udrží si zbytkovú polarizáciu a stane sa piezoelektrickým.

Pri použití v smart štruktúrach sa využívajú ako senzory a akčné členy. Najznámejšou piezokeramikou je PZT.
Dôvody používania piezoelektrických elementov:
-presné riadenie polohy systému
-deformácia piezoelektrického akčného člena má malé straty
-dlhá životnosť
-vysoká účinnosť transformácie elektrickej práce na mechanickú a naopak
-existujú už akčné členy, ktoré vytvoria silu do 50 kN.

Medzi ďalšie materiály patria elektrostričné materiály, u ktorých je elektrický náboj rozlíšený symetricky. V každom dielektrickom materiály zavedením do elektrického poľa vzniká deformácia. Smer deformácie záleží od orientácie poľa.

Magnetostrikčné materiály sa deformujú vplyvom magnetického poľa. Naopak- ak pôsobí sila na taký materiál, mení sa magnetická indukcia B materiálu. Najbežnejším magnetostrikčným materiálom je Terfenol- D. Vykazuje nelineárne chovanie s hysteréziou. Pre malé deformácie platia rovnice:
E= so+kH B=ko+pH
E- pomerná deformácia
s- tuhosť materiálu
o- mechanické napätie
k- magnetostrikčný koeficient
p- permeabilita prostredia
B, H- intenzita a indukcia magnetického poľa

Optické vlákna- využívajú sa ako senzory. Skladajú sa zo stredového jadra, ktoré je ovinuté jednou alebo dvoma vrstvami ochranného obalu. Kvôli lepšej ochrane životného prostredia sa vlákna vkladajú do káblov. Optické materiály zapustené do smart materiálov prenášajú údaje takto:
-prenášajú ustálený svetelný signál do senzoru
-sledujú dôležité parametre svetla ( intenzitu, polarizáciu, fázu). Optické vlákna sa dajú využiť pre meranie deformácie, zrýchlenia alebo magnetických polí.

Elektroreologické (ER) kvapaliny- menia viskozitu elektrického poľa. Vznikajú rôzne stavy tejto kvapaliny, napr. pri intenzite poľa 3 kV/mm sa dá dosiahnuť šmykové napätie až 2kPa. Pri aplikácii elektrostatického poľa sa ER kvapalina mení z viskózneho oleja až na takmer tuhý gél a veľkosť komplexného modulu v šmyku sa zmení o niekoľko radov.

Riadenie smart štruktúr
Riadenie predstavuje jeden z najdôležitejších aspektov u smart materiálov z dôvodu neurčitosti materiálových vlastností i samotnej dynamiky sústavy. Jedným z parametrov, ktorý charakterizuje činnosť regulátora je robustnosť. Tá vyjadruje, že stabilita a činnosť riadeného systému nie je citlivá na neurčitosti pochádzajúce z chýb modelovania nelinearít, neuvažovanej dynamiky, prípadne iných náhodných porúch. Čim menej je riadený systém citlivý na neurčitosti, tým je robustnejší. Problémy vznikajú pri riadení systému s veľkým počtom snímačov a akčných členov. Riadenie týchto rozsiahlych štruktúr vyžaduje vývoj nových, tzv. inteligentných riadiacich algoritmov, napr. genetický algoritmus, algoritmy neurónových sietí a fuzzy logika. Rýchly vývoj mikroprocesorovej techniky umožnil, že regulátory môžu pracovať v reálnom čase. Medzi hlavné ciele regulátorov pri aplikácii inteligentných materiálov patrí:
-spracovanie signálov nameraných viacfunkčnými snímačmi
-generovanie optimálnych akčných signálov pre viacfunkčné akčné členy.
V prípadoch, keď sa parametre štruktúr mení alebo nie sú presne identifikované, je treba použiť adaptívne alebo samočinne sa nastavujúce regulátory. Tie sú schopné adaptovať svoje chovanie vzhľadom k okoliu na základe požadovaného kritéria. Sú zložené z číslicového filtru a z odpovedajúceho adaptívneho algoritmu.

2.4Moderné technológie používané v mechatronike
Existujú mechatronické výrobky, v ktorých je zjavný trend smerom k miniaturizácii, spoľahlivosti a vyššou funkčnosťou. Pri klasifikácii strojov, senzorov alebo mechanizmov podľa ich rozmerov používame rôzne modifikácie termínov pomocou vkladania predpôn od submilimetrových súčiastok v náramkových hodinkách. Makrostroje merajú niekoľko stoviek metrov (lietadlá, tankery). Pravdepodobne najväčším strojom na svete je urýchľovač častíc v CERN-e v Ženeve, ktorý má priemer 27 km. Submilimetrová hranice stupnice je ohraničená miniaturizáciou, ktorou sú schopné realizovať konvenčné technológie triskového obrábania. Mikrostroj- predstavuje veľkosť stroja alebo zariadenia od 10mm do 1ηm, vyrobeného montážou extrémne malých funkčných častí. U mikrosystémov ich výroba, montáž, materiály, dodávky energie vyžadujú nové techniky a prístupy, vhodné pre miniaturizáciu strojov. Technológia mikrostrojov formuje nový základ v priemysle, pretože ich použitie je významné v mnoho priemyselných oblastiach. V súčasnosti tieto technológie úspešne využívame hlavne v informačno-komunikačnej a automobilovej oblasti vo forme mikrosenzorov. Nanostroj- pomocou nanotechnológií sa vytvárajú štruktúry o veľkosti 1.10-7- 10 - 9 m. Pre ilustráciu, rozmery jednotlivých atómov sú radovo 10-10m. V týchto rozmeroch sa už významne uplatňujú kvantové vlastnosti hmoty. Medzi základné technológie mikrostrojov patrí technológia mikroobrábania.

Kremíková technológia je tiež nazývaná technológiou integrovaných obvodov. Neskôr bola táto technológia použitá na miniaturizáciu mechanických častí tlakových senzorov a senzorov zrýchlenia a bola ďalej aplikovaná na výrobu mikromotorov a ďalších mikrostrojov. Základná procedúra pre výrobu mikrostrojov spočíva v týchto nasledujúcich krokoch:
-povrch kremíkového plátku je naoxidovaný vytvorením extrémne tenkého filmu SiO2
-tenký oxidačný film je pokrytý pomocou tenkej fotocitlivej živice (pozitívny alebo negatívny fotorezist)
-fotorezist je exponovaný (vystavený UV žiareniu) cez masku, ktorá ma žiadaný vzor
-exponované časti rezistoru sú odobrané z kremíkového plátku pomocou procesu vyvolávania (v prípade pozitívneho rezistu)
-tenký film SiO2 v exponovaných častiach (kde nie je rezist) je leptaný na odkrytie kremíkovej plochy
-kremíkový alebo kovový tenký film je vytvorený na tieto ploche pomocou chemického naparovacieho nanášania (Chemical Vapour Depositon- CVD).

Vhodnými metódami pre riešenie problému s hrúbkou a tuhosťou sú tzv. LIGA technológie, mikroiskrové obrábanie, fotoformovacie a konvenčné obrábanie.

LIGA(skratka z nemeckých slov pre litografiu, elektrolytické prekovovanie a lisovanie) je technológia mikrostrojov, vyvinutá v Jadrovom výskumnom centre v Karlsruhe v Nemecku. Pri tejto technológii rovnobežné rentgenové žiarenie zo synchrotrónu dopadá na vhodne upravenú šablónu s príslušným vzorom. Šablóna je upravená tak, aby na určitých miestach- plochách – zabránila prenikaniu žiarenia. V otvorených plochách masky žiarenie prechádza a exponuje ochrannú látku- PMMA resist (polymethylmethakrylát). Resist je potom vyvolaný a výsledkom je PMMA forma použitá na výrobu kovových súčiastok pomocou elektrolytického pokovovania vo vyvolávaných oblastiach.
LIGA technológia umožňuje výrobu štruktúr, ktoré majú vertikálne rozmery od 100 mikrometrov až to milimetrov a horizontálne rozmery môžu byť niekoľko mikrometrov. Sú to trojrozmerné štruktúry definované dvojrozmernou litografickou šablónou (maskou).

LIRIE technológie je založená na hĺbkovom suchom leptaní alebo elektrochemickom mokrom leptaní a využíva odstraňovanie vrstiev, ktoré je kompatibilné s technológiou integrovaných obvodov.

Mikroiskrové obrábanie (EDM) je metóda, pri ktorej sa roztavuje a roziskruje časť obrobku proti nástroju pomocou iskrenia medzi obrobkom a elektródou – nástrojom. Obvykle sú obrobok i nástroj ponorené do izolačnej tekutiny (deionizovaná voda, petrolej). Ak dôjde k prerazeniu dielektrika, vzniká iskra, ktorá roztaví časť obrobku, a súčasne sa rýchlo vyparí tekutina a roztavená časť je okamžite rozstrieknutá. Nevýhodou je, že sa dajú opracovávať len elektricky vodivé materiály, ale polovodiče (napr. kremík) je možné opracovávať len v závislosti na ich vodivosti. Výhoda tejto metódy je bezkontaktná práca, nie sú použité žiadne veľké sily medzi materiálom a pracovným nástrojom, a tak je možné vyrobiť jemný a tenký produkt.

Existujú 3 základné typy tejto technológie:
-Drôtová EDM metóda (Wire EDM) používa drôtovú elektródu na rezanie tvaru určeného špeciálnym programom
-Hĺbenie matricou (Die Sinking) pozostáva z použitia tvarovanej elektródy na opracovanie dutín v tvare (negatívnom) nástroja
-EDM frézovanie (Milling EDM), ktoré sa používa pre výrobu komplexných tvarov pomocou jednoduchej valcovej elektródy.

Fotoformovanie znamená vytváranie štruktúr pomocou fotopolymerizujúcich látok, tekutej živice, ktorá tvrdne po exponovaní laserovým lúčom alebo iným zastreným žiarením. V tomto procese je tenký film fotopolymerizujúcej látky najprv natvarovaný nastavením výšky podstavca pod hladinou tekutej živice a potom exponovaný lúčom, ktorý rozkladá povrch do kriviek, formujúcich tenkovrstvovú štruktúru. Proces je opakovaný pri zostavovaní ďalších vrstiev tvrdnúcej živice na vytvarovanie ľubovoľnej trojrozmernej geometrie. Minimálne možné rozmery a presnosť pri tejto technológii závisia predovšetkým od priemeru lúča a hrúbky vrstvy tvrdnúcej živice.

Obrábanie lúčom je metódou lokálneho obrábania, kde je plocha materiálu ožiarená pomocou energetického lúča svetla, elektrónu alebo iontov. Teda v širokom zmysle predstavuje kombináciu elektroiskrového obrábania a fotoformovania. Lúčové obrábanie sa dá využiť napr. pri výrobe otvorov- kremíkový plátok umiestnený v reaktívnej plynnej atmosfére (SiH4), je exponovaný laserovým lúčom na vynútenie lokálneho rastu kremíkových kryštálov, ktoré tak vytvorí mikroštruktúru. Často používaným je obrábanie iontovým lúčom(FIB), kedy napr. veľmi malé písmená na ploche diamantového vrúbkovača sú vyryté pomocou tejto FIB
technológie. Táto metóda umožňuje hromadnú výrobu.

Z ostatných technológií pri výrobe sa často používajú povrchové úpravy materiálov súčiastok, čo umožňuje zlepšiť vlastnosti používaného materiálu. Jedným z najnovších trendov sú tzv. duplexné povrchové úpravy. Tento typ predstavuje postupnú aplikáciou dvoch alebo viac povrchových technológií na vytvorenie povrchového kompozitu s kombinovanými vlastnosťami. Dochádza skôr k ich synergii. Existuje však mnoho ďalších vhodných metód mikroobrábania a v budúcnosti budú určite vznikať ďalšie technológie. Každá z nich má svoje výhody a nevýhody a je dôležité vybrať pre daný typ súčiastky vhodnú technológiu a pritom zohľadniť možnosti a jej ekonomický dopad. Súčiastky mikrostrojov nemusia mať len danú špecifickú trojrozmernú geometriu, ale musia mať i dostatočnú mechanickú pevnosť a trvanlivosť. Preto sú vývoj a zlepšovanie uvedených technológií dôležité pre ďalší vývoj v oblasti mikromechatronických výrobkov. Súčasne s vývojom technológií mikrosúčiastok sa musí rozvíjať i technológie ich spájkovania a mikromontáže.

Nanotechnológia
Nanotechnológia sa zaoberá vytváraním štruktúr o veľkosti 10-7-10-9m, rozmery jednotlivých atómov sú rádovo 10-10m, čo znamená, že sa už významne uplatňujú kvantové vlastnosti hmoty. Nanotechnológia, pracujúca v rozmeroch 103 krát menších než mikroelektronika, zahrňuje postupy využívané pri výrobe elektrotechnických súčiastok, ale i výskum a vývoj nových materiálov (polymery, uhlíkové nanotrubice). Umožňuje vytváranie monomolekulárnych vrstiev, ale i návrh a realizáciu vhodných meracích sond a zariadení. Podľa optimistických predpokladov sa v roku 2049 dosiahne veľkosť kremíkových štruktúr asi 30 nm. Tým sa dospeje k samej hranici, za ktorú už nanoelektronika prechádza na kvantovú elektroniku. Vzdialenosť 30 nm zodpovedá už len 128 atómom kremíka, keď sú izolačné vrstvy silné len niekoľko atómových vrstiev.
Bolo dokázané, že s dnes najrozšírenejšou technológiou CMOS sa dá zvládnuť štruktúry menšie než 5nm, takže je pravdepodobnosť, že táto technológia bude rozhodujúca ešte aspoň 10 rokov. Očakáva sa, že využitím kvantových javov budú prekonané hranice klasickej fyziky. Ak mikroelektronika je založená na pohybe nosičov elektrického náboja v elektrickom poli v polovodičových štruktúrach s nehomogénnym rozložením koncentrácie aktívnych prímesí, potom nanoelektronika je založená na spínacích efektoch a ukladaní informácie na molekulárnej úrovni. Očakáva sa uplatnenie koncepcie nanosystémov s extrémne malou spotrebou, napájaných palivovými článkami, zhotovených metódami mikromechaniky MEMS.

Využitie nanoelektroniky je najskôr v počítačoch. Jej ďalší vývoj bude podmienený iným prístupom k návrhu integrovaných systémov, keď sa pravdepodobne nebude postupovať zhora dole od makroskopických kryštálov a zákonitostí zjemňovania štruktúr, ale naopak- zdola hore. Pretože sa bude vychádzať z atómov a ich usporiadania, budú vytvárané umelé molekulárne nanosystémy so špeciálnymi vlastnosťami.

Stereolitografia
Behom uplynulých rokov vzniklo množstvo metód pre rýchlu výrobu prototypov. Najúspešnejšou a najčastejšie používanou metódou je stereolitografia. Využíva kombináciu laserovej techniky, počítačom riadeného mechanizmu a vlastnosti špeciálnych fotopolymérov.

Princíp metódy
Výrobný proces sa dá rozdeliť do 3 etáp:
a-príprava modelu
b-vlastná výroba stereolitografického (SL) modelu
c-dokončenie

Základom pre výsledný SL model je jeho matematický popis. Ten sa dosahuje modelovaním objektu v trojrozmernom CAD systéme. Transformované dáta modelu sú predané do výpočtovej časti stereolitografického zariadenia a ďalej spracované. Model je softvérovo rozrezaný na tenké vrstvy hrubé 0,1mm a každú takto vytvorenú vrstvu uloží. Proces prebieha automaticky. Táto časť je rozhodujúca pre výslednú presnosť modelu. Na jeho orientácii v priestore (a teda smere vytvárania rovinných rezov) závisí vytvorenie geometricky správnych tvarov. V danom module aplikačného softvéru sú doplnené údaje o fotopolymére a vygeneruje sa program pre riadiacu jednotku stereografického zariadenia.

Vlastné zariadenie sa skladá z nízkoenergetického laseru, sústavy zrkadiel riadených servopohonmi a pracovnej komory s pracovnou doskou opäť poháňanou servopohonmi. Súčasťou je tiež riadiaci PC s patričným softvérom.

Pracovná komora je vybavená nádržou s fotopolymerom. V nej sa pohybuje pracovná doska, na ktorej dochádza k rastu modelu. Vlastný proces prebieha takto:

Na základe dát predaných z PC vykreslí laserový lúč usmernený na hladinu kvapaliny sústavou zrkadiel plochu jednej vrstvy rozrezaného modelu. Potom sa pracovná doska ponorí do nádrže s fotopolymerom tak hlboko, aby došlo k úplnému zmočeniu vytvorenej vrstvy a vynorí sa späť, takže medzi vytvoreným polymerom a hladinou zostane kvapalina s hrúbkou práve jednej vrstvy, a celý proces sa opakuje.

Prevedením trojrozmerného objektu na dvojrozmerný sa dajú vytvárať ľubovoľné zložité útvary. Vytvrdenie laserovým lúčom nie je dokonalé. K dotvrdeniu a osušeniu povrchu modelu od zbytkov živice dochádza v ultrafialovej peci. Hotové modely sa dajú dobre upravovať. Vzhľadom k vlastnostiam materiálov sa dá povrch brúsiť a leštiť. Modely sa dajú ľahko obrábať klasickými metódami, dajú sa do nich vŕtať otvory alebo rezať závity a pod. Pretože rada modelov je určená pre marketing a do oblasti designu, je dôležitá možnosť modely farbiť bežnými farbami na epoxidové živice, alebo máčaním v práškových materiáloch. Potrebou súčasných designérov a konštruktérov je pracovať s fyzickým modelom, kontrolovať ergonómiu, zmontovateľnosť, opraviteľnosť a iné vlastnosti. Výhody fyzického modelu vedú k zrýchleniu celého procesu vývoja výrobku. Výroba modelov a prototypov klasickými technológiami je veľmi náročná a zdĺhavá. Rapid prototyping umožňuje priamu väzbu na vývojové prostredie, preto je najvhodnejšou cestou k splneniu väčšiny požiadaviek konštruktéra.

Okrem už zmienených technológií mikroobrábania sú pre výrobu mechatronických dielov vhodné
a-technológie zvárania tenkých plechov mikroplazmou
b-rezanie vysokotlakovým vodným lúčom
c-moderné postupy lepenia

a-pre zváranie tenkých plechov sa dá využiť technológia, u ktorej reguláciu tepelného príkonu môžeme previesť plynule, s vysokou hustotou energie plazmy. Plazma vzniká v plazmovom horáku pri priechode plazmového plynu stabilizovaným elektrickým oblúkom. V dôsledku vysokej teploty a z toho plynúcej energie zrážok atómov dochádza k ionizácii. Táto ionizačná energia sa v mieste dopadu lúča plazmy uvoľňuje a využíva k taveniu materiálu. Fokusáciu lúča plazmy na výstupe z trysky zaisťuje fokusačný plyn (Ar, Ar+H2, Ar+N2). Pre nižšie výkony je fokusácia prevedená vodíkom, ktorý sa privádza v množstve do 10% v ochrannej atmosfére. Plyn obklopuje lúč plazmy a chráni taveninu pred účinkami atmosférického kyslíka. Mikroplazmové zváranie pri zváracom prúde 0,1- 15A je technológia zvlášť dobre využiteľná pre zváranie tenkých plechov. Kvalita spoja závisí tiež od ďalších parametrov zvárania, napr. od premieru wolfrámovej elektródy a trysky, rýchlosti prúdu, čistote a prietoku plazmového plynu- argónu.
b-Dominantným rysom technológie vysokoenergetického kvapalinového lúča (VKP) je studený rez, ktorý delený materiál teplotne neovplyvňuje. Pri obrábaní nedochádza k zmene štruktúry a tým k znehodnoteniu materiálu v oblasti rezu, ako u všetkých tepelných deliacich metód, ani k extrémnemu silovému zaťaženiu. Princíp metódy spočíva v pôsobení vysokého tlaku (bežne až 380 MPa) kvapalinového lúča na delený materiál. Rez vodným lúčom je veľmi úzky, čo je prednosťou pri rezaní tvarovo komplikovaných výrobkov alebo v prípade úspory drahých polotovarov. Technológia VKP sa dá využiť pri rezaní všetkých druhov ocelí, vrátane nástrojových , nerezových a špeciálnych v žíhanom stave, ale aj po konečnom tepelnom spracovaní. Bežne sa obrábajú zliatiny hliníka, medi alebo titánu. V strojárenstve sa dnes uplatňujú i ďalšie druhy materiálov (lamináty, umelé hmoty, kompozity, keramika- tepelné a elektrické izolanty), pre ktoré je často VKP jedinou vhodnou deliacou technológiou. Ďalšími výrobnými obormi, kde je časté uplatnenie VKP sú automobilový, papierenský, gumárenský, drevársky a priemysel umelých hmôt.
c-Rozvoj technológie lepenia je v posledných 40 rokoch prekvapivo prudký. Výhodou špeciálnych lepidiel je možnosť spojovať rôzne konštrukčné materiály- nezvariteľné a rôznorodé- plasty, kovy, pryž a sklo. Lepiť sa dajú aj veľmi tenké a krehké materiály, a pretože je namáhanie rozložené na celú plochu spoja, je možné používať i tenšie plechy. Lepiť je možné aj v prostredí s nebezpečenstvom výbuchu, alebo kde sa nedá zvárať z iných bezpečnostných dôvodov. Neexistuje však univerzálne lepidlo. Množstvo faktorov, ktoré ovplyvňujú vlastnosti spoja činia každú aplikáciu unikátnou. V strojárenstve, automobilovom a leteckom priemysle, v kozmonautike sa využívajú predovšetkým špeciálne kyanoakrylátové jednozložkové lepidlá, ktoré môžu stuhnúť za menej ako 10s pri izbovej teplote. Rozmerné magnety urýchľovačov jadrových častíc sa dajú vyrobiť v podstate len vrstvením magnetizovaných plechov, ktoré sa lepia pomocou epoxidových lepidiel vytvrdzovaných do 40ºC, aby sa neovplyvnili magnetické vlastnosti celého zariadenia. Lepidlá sú tvorené polymérmi, ktoré predstavujú tepelný i elektrický izolant. Avšak pre mnohé dôležité priemyselné účely je nevyhnutné, aby lepidlo bolo schopné viesť prúd alebo teplo. Vodivé lepidlá vytvárame vnesením určitého množstva kovového (strieborného alebo zlatého ) prášku a ďalších špeciálnych plnidiel. Lepidlo z epoxidových polymérov sa už dlho užíva k spojovaniu logických obvodov a komunikačných častí. Používajú sa v optických spojoch. S pokrokom optoelektronike sa podarilo vyvinúť spoľahlivé optické lepidlo, ktoré znížilo útlm signálov pri prechode spoja. Sú známe i prírodné lepdlá a tzv. biolepidlá, využívané v medicíne. Lepenie znižuje výrobné náklady i v strojárenstve.

2.5Príklady a ukážky mechatronických výrobkov
Mechatronika prináša radu nových podnetov jak v mechanike (napr. vyššiu rýchlosť pohybov, extrémne malé a presné výchylky a polohy mechanizmov, tzv. aktívne tlmenie, používanie riadených magnetických ložísk pri uložení hriadeľov rýchlobežných pohonov), tak i v elektrotechnike a elektronike( rozvoj nových mikroprvkov, mikrosenzorov na jednom čipe, komunikácie a prenos informácií vo vnútri mechatronických výrobkov pomocou oprických vlákien).

Podľa charakteru objektu, na ktorý sa aplikuje mechatronický prístup, sa môžeme stretnúť s týmito oblasťami aplikácií:
-inžinierska mechatronika, u ktorej je aplikačným objektom technické zariadenie alebo technologický proces. Ako príklady uvádzame robotické sústavy, redundantné paralelné roboty, lesné roboty, roboty v poľnohospodárstve(pre žatvu ovocia a poľnohospodárskych plodín, strihanie ovocia, mechatronické poľnohospodárske stroje), v jadrovej energetike, v chemickom priemysle a vo vojenstve, vozidlá s počítačom v miestach realizácie určitých činností, riadené pérovanie vozidiel, systémy kozmických sond, systémy autopilota, navigácie a zbraňových systémov, nekývajúci sa portálový žeriav, riadené tlmenie vibrácií strojov. Dnes sem patria aj prístroje pre vybavenie kancelárií či domácností, napr. mobilné telefóny, holiace strojčeky a pod.
-mikro- a nanomechatronika
-biomechatronika, ak sú aplikačnými okruhmi bioobjekty, predovšetkým ľudia. Sem patria napr. biomechanické sústavy, poznávacie, klinické, rehabilitačné, ale i športové a pre invalidov napr. inteligentné protézy.

Za príklady mechatronických výrobkov môžu slúžiť číslicové riadené obrábacie stroje, priemyslové roboty, fotokamery, programovateľné automaty, bezobslužné kamery, polygrafické stroje, lekárske prístroje, umelé satelity, systémy pre riadenie lietadiel počítačom, inteligentné práčky, holiace strojčeky a pod.

3 Senzory v mechatronických sústavách
3.1 Úvod
Senzory môžeme deliť podľa:
-merané veličiny na senzory teploty, tlaku, prietokov, radiačných veličín vo viditeľnom, infračervenom a inom spektre, mechanických veličín (posunutie, poloha, rýchlosť, zrýchlenie, sila, mechanické napätie a pod.), senzory elektrických a magnetických veličín a pod.
-fyzikálneho princípu na senzory odporové, indukčnostné, indukčné, kapacitné, magnetické, piezoelektrické, fluidikové, pyroelektrické, optoelektronické, optické vláknové, chemické, biologické a i.
-styku senzoru s meraným prostredím na bezdotykové, dotykové
-transformácie signálu na aktívne a pasívne
-tvaru dráhy pohyblivej časti, ktorej pohyb sledujeme, na lineárne a uhlové
-tvaru výstupnej veličiny na spojité a nespojité

Vlastnosti senzorov môžeme porovnávať na základe rôznych kritérií (presnosť, rozsah, výstupný signál, parazitné vplyvy a pod.). Zhrnutím týchto porovnávaní dostaneme skupiny senzorov, ktoré sa od seba kvalitatívne líšia. Vytvárame tak jednotlivé generácie.
1.generácia- pre konštrukciu senzorov sa využívajú základné fyzikálne javy. Sú to predovšetkým senzory odporové, indukčnostné, kapacitné, ionizačné, termoelektrické, piezoelektrické a pod. ich vývoj je v podstate ukončený. Výnimočne sa u tejto generácie stretávame s novými technológiami, použitím nového materiálu a konštrukcií. Celkom výnimočne sa stretávame s použitím nových fyzikálnych javov. O túto generáciu sa opiera súčasná automatizačná technika.
2.generácia- typické pre túto skupinu senzorov je využitie polovodičov a fyzikálnych javov spojených s polovodičmi. Ich nástup úzko súvisí s rozvojom polovodičovej techniky. Tieto senzory sa vyznačujú výrazne lepšími parametrami, predovšetkým pokiaľ ide o citlivosť, miniatúrne rozmery, dynamické vlastnosti, presnosť a ďalšie. Hľadajú sa nové fyzikálne javy, nové materiály. Dochádza k čiastočnému alebo úplnému zlúčeniu elektronickej časti informačného reťazca s čidlom. Vytvárajú sa hybridné alebo integrované senzory. Vývoj tejto generácie nie je ukončený. Preto je ďalej venovaná pozornosť predovšetkým tejto generácii.
3.generácia- u predchádzajúcich dvoch generácií senzorov je na výstupe vždy elektrický výstupný signál. Rýchly vývoj v optických systémoch(väčší rozsah použiteľných frekvencií, tetrabitová rýchlosť prenosu dát na jednom vlákne ) si žiada dokonalejšie senzory. Tieto senzory s možnosťou napojenia optických vlákien na iné vlnovody alebo na laserové lúče súhrnne nazývame mikro- elektro- mechanické systémy (MEMS). Názov MEMS sa využíva aj mimo optoelektroniku, čisto optoelektronické systémy nazývame MOEMS (mikro- opto- elektro-mechanické systémy). Tretia generácia je reprezentovaná senzormi optoelektrickými alebo svetlovodnými. Na ich výstupe je svetelný tok. Táto generácia nadväzuje na prenos signálu pomocou svetlovodov a využíva z toho vyplývajúce výhody. Ide predovšetkým o problém rušenia senzorov elektrickými alebo magnetickými poľami, možnosť prenosu signálu na väčšie vzdialenosti, veľká šírka pásma a niektoré ďalšie výhody. Tieto senzory sú v štádiu výskumu a vývoja. Niektoré typy sa však už sériovo vyrábajú. Veľmi zaujímavú skupinu tejto generácie predstavujú svetlovodné senzory. U nich pôsobí meraná neelektrická veličina na parametre svetlovodu tak, že je priamo ovplyvňovaný svetelný tok. Senzory tohto typu môžu mať výrazne väčšiu citlivosť a podstatne menšie rozmery než senzory pracujúce s prevodom na elektrický signál.

3.1.1Definícia senzoru
Senzor je funkčný prvok tvoriaci výstupný blok meracieho reťazca, ktorý je v priamom styku s meraným prostredím. Senzor je ekvivalentným pojmom k pojmom snímač, prevodník alebo detektor. Citlivá časť senzoru sa označuje čidlo.

Senzor sníma sledovanú fyzikálnu, chemickú alebo biologickú veličinu a tú podľa určitého princípu transformuje na meranú veličinu (vo väčšine prípadov je touto veličinou elektrická veličina). Existujú také senzory, ktoré neelektrickú veličinu transformujú priamo na číslicový signál. Meracia veličina je potom ďalej spracovaná ďalšími funkčnými blokmi meracieho reťazca. Na konci tohto reťazca je indikačné zariadenie, ktoré nás informuje o stave sledovanej veličiny, alebo nadväzujúci regulačný systém, ktorý podľa vopred daných pravidiel ovplyvňuje sledovanú veličinu.

Vo väčšine prípadov číslicového spracovania nameraného signálu je výstup tvorený buď číslicovým meracím prístrojom, ktorý je vybavený rozhraním pre diaľkové spracovanie dát, alebo na výstupe je priamo rozhranie umožňujúce prenos nameraných dát. Rozhranie je spoločná hranica, ktorá má presne definované charakteristiky pripojenia jak fyzického, tak signálového, funkčného i procedurálneho. U senzorov sa najčastejšie používa sériové rozhranie podľa európskeho doporučenia CCITT a amerického doporučenia ELA, a to RS-232-C a RS-485. Zatiaľ čo u rozhrania RS-232-C je dosah prenosu dát pri rýchlosti 20kb/s 15m, u RS-485 je to do vzdialenosti 1200 metrov s maximálnou rýchlosťou 20 Mb/s.
Ďalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhranie môže bez problémov prenášať informáciu veľmi vysokými rýchlosťami od 10Mb/s do 1000Mb/s po krútenej dvojlinke i po optickom vlákne. Poslednou skupinou sú rozhrania pre bezdrôtový prenos dát, kam patria Bluetooth, WiFi a IrDA.

Pre náročné merania sa dá použiť paralelné rozhranie ako je IEEE 488.

3.1.2Inteligentné senzory
Vzhľadom k rýchlemu vývoju elektroniky, ktorý uľahčil vývoj nových prvkov a systémov, došlo k rozvoju elektronických obvodov pre spracovanie signálov získaných z čidiel neelektrických veličín.
Vďaka nutnosti zlučiteľnosti senzorov a nadväzujúcich analógových obvodov došlo k vývoju inteligentných senzorov, ktoré vychádzajú z technológie spojenia čidla s nadväzujúcimi integrovanými analógovými obvodmi na tom istom kremíkovom čipe.

3.1.3Štruktúra inteligentných senzorov
Dá sa rozdeliť na 3 časti:
1.vstupná časť- zaisťuje vstup meraných veličín, prevádza ich na elektrickú veličinu a tú prevádza na vhodný, prípadne i normovaný elektrický signál a zaisťuje ochranu senzoru proti pôsobeniu nežiadúcich vstupných veličín, či vplyvu okolia. Môžu ju vytvoriť prevodníky, membrány, zosilovače, stabilizátory, atď. jeden inteligentný senzor môže obsahovať viac čidiel rôznych veličín- hlavná veličina tak môže byť korigovaná vzhľadom k rušivým veličinám, napr. teplote. Môže tak zaisťovať prepínanie viac vstupných veličín, adresovanie v rade, v slučke či poli meraných bodov.
2.vnútorná časť- spracováva vstupný signál, zaisťuje nastavenie nulovej hodnoty, kompenzáciu vplyvu okolia, linearizáciu v celom rozsahu vstupných veličín, autokalibráciu meracej funkcie. Je tvorená A/D a D/A prevodníkmi, pamäťami, komparátormi, generátormi, mikroprocesormi. U najvyšších stupňov inteligentných senzorov sa využívajú prostriedky umelej inteligencie.
3.výstupná časť- zaisťuje komunikáciu senzoru s následnými zariadeniami, signalizáciu vlastnej funkcie a stavu, prípadne prevod číslicového signálu na normalizovaný analógový výstupný signál, signalizáciu meranej veličiny. Môže umožňovať miestne i diaľkové ovládanie. Dôležitou úlohou je ochrana pred pôsobením nežiadúcich javov na výstupe. Je tvorená obvodmi elektrických signálov.

Požiadavky na inteligenciu v jednotlivých častiach senzoru:
1.vo vstupnej časti- prevod fyzikálnej, chemickej alebo biologickej veličiny na elektrickú, zosilenie a filtrácia signálu, linearizácia prevodnej charakteristiky, normovanie signálu, ochrana proti pôsobeniu parazitov a pod.
2.vo vnútornej časti- analógovo- číslicový prevod, autokalibrácia elektrickej alebo neelektrickej časti meracieho reťazca, aritmetické operácie, číslicová linearizácia, štatistické vyhodnocovanie nameraných dát, hľadanie medzí, možnosť pridania umelej inteligencie, kde je senzor schopný na základe modelu a učiacich sa princípov rozoznať, či sú namerané dáta vierohodné, alebo nie.
3.vo výstupnej časti- unifikácia analógových výstupných, komunikácia prostredníctvom integrovaného rozhrania so zbernicovým systémom, číslicovo-analógový prevod a pod.

3.2Senzory polohy
Na presnom rotačnom alebo lineárnom posune závisia parametre celej rady automatizovaných systémov. Viacosové obrábacie stroje, jednoúčelové stroje, stroje pre technológiu povrchovej montáže a ďalšie podobné zariadenia používajú pre zistenie polohy lineárny, rotačný alebo uhlový senzor. Pri voľbe senzorov vychádzame z presnosti a rozlíšenia. Posudzujeme rýchlosť prenosu dát, rozmery senzoru, jeho zložitosť a cenu.

Typ senzoru volíme podľa materiálu sledovaného objektu, podmienok prostredia (tlak, vlhkosť, teplota, prašnosť, magnetické a elektrické pole ) a podľa typu detekcie. Musíme zohľadniť bezpečnú funkciu a technické požiadavky na senzor, ako je napájanie, typ výstupu, vzdialenosť detekcie medzi objektom a senzorom, citlivosť, presnosť, teplotná stabilita, hysterézia, maximálny spínací prúd a kmitočet.

3.2.1 Optoelektronické senzory
Pre detekciu objektov v priemyslovej automatizácii sa popri ostatných typoch senzorov vo veľkej miere uplatňujú optoelektronické a laserové senzory. Je to spôsobené ich rastúcimi výkonmi, ale zmenšujúcimi sa rozmermi. Používajú sa hlavne tam, kde je potrebná väčšia vzdialenosť medzi senzorom a snímaným objektom. (až niekoľko desiatok metrov)

Optoelektronické zdroje
Zdrojom sú luminiscenčné diódy a laserové diódy. Je pre nich typická malá energetická náročnosť, malé rozmery a váha.

a/ Lumiscenčné diódy LED
-sú polovičné prvky, ktoré majú jeden PN priechod. Princíp činnosti je založený na rekombinácii voľných nosičov náboja v oblasti prechodu pri prietoku prúdu diódou v priepustnom smere. Tento proces spôsobuje v aktívnej oblasti uvoľnenie energie v svetelnej forme.



b/ Polovodičový laser
Jeho základom je vysoko dotovaný PN prechod GaAs, ktorý tvorí aktívne prostredie. Je zdrojom koherentného optického žiarenia. Koherencia znamená, že všetky vlny majú rovnakú frekvenciu, polarizáciu a fázu. Princíp funkcie polovodičového laseru je založený na vynútenej emisii fotónov. Znamená to, že žiarenie je vynútené existenciou fotónu rovnakej frekvencie, polarizácie a fázy ako má emitovaný fotón.

Pokiaľ má k vynútenej emisii dochádzať, musí existovať aktívne prostredie s dostatočne veľkým zosilnením fotónov. Lasery, u ktorých je aktívne prostredie z pevnej látky, sú nielen polovodičové, ale môžu byť napr. rubínové alebo neodynové. Ďalej sú lasery plynové. Aby generovanie fotónov po určitej dobe neustalo, musí časť emitovaného žiarenia zostávať v aktívnom prostredí a vyvolávať vynútenú emisiu u ďalších fotónov. Existenciu tejto kladnej spätnej väzby zaisťujú dve planparalelné zrkadlá (tvoriace rezonátor), od ktorých sa časť fotónov odráža späť do aktívneho prostredia. Po niekoľkých odrazoch i tieto fotóny vyletia polopriepustným zrkadlom a prispievajú k celkovému žiarivému toku laseru. Podmienkou je tiež, aby v aktívnom prostredí prevládala vynútená emisia nad ostatnými protipôsobiacími javmi, napr. absorbcii a pod.

Prvé fotóny vznikajú vždy na princípe spontánnej emisie. Takto vzniknutý fotón stimuluje prechody Ďalších elektrónov, pričom pri dostatočnom budení tento proces narastá a dochádza ku generácii koherentného optického žiarenia.

3.2.1.1Optoelektrické detektory
Prijímače, optické detektory, majú za úlohu detekovať optický signál a previezť ho na signál elektrický. Najbežnejším optickým detektorom je PN alebo PIN fotodióda, lavínová APD, fototranzistor a pre špeciálne aplikácie optoelektronické prvky PSD, CCD a CMOS.

a/ fotodiódy PIN
Ich úlohou je transformácia svetla na elektrický prúd. Ide teda o opačnú funkciu luminisenčnej diódy.

Fotóny vstupujúce do polovodiča s dostatočnou energiou sú absorbované, pričom vznikajúce páry elektróny- diery vytvárajú v polovodiči napätie (fotovoltaický jav) alebo zväčšujú jeho vodivosť.

Spektakulárna citlivosť, ktorá udáva závislosť citlivosti detektoru na vlnovej dĺžke, závisí od materiálu PIN diódy.

b/ lavínové fotodiódy APD
Ak nepostačuje citlivosť PIN fotodiód, je možné použiť tzv. lavínové fotodiódy, ktoré vykazujú vlastné zosilenie. Konštrukciou sa podobajú PIN fotodiódam, taktiež materiály sú obdobné. Ich štruktúra obsahuje vrstvu, kde dochádza k násobeniu nosičov náboja. Toto zosilnenie fotoprúdu je spôsobené priložením veľkého záverečného napätia, ktoré urýchľuje dopadajúcimi fotónmi vzniknuté nosiče náboja natoľko, že pri zrážke s mriežkou kryštálu polovodiča dochádza k vyrazeniu ďalších elektrónov. Takto lavínovito narastá počet nosičov, preto sa to nazýva lavínová fotodióda.


c/ polohovo citlivé optoelektronické detektory PSD
Tieto detektory umožňujú presne určiť pozíciu dopadajúceho svetelného lúča na odporovú fotocitlivú plochu detektoru. Umožňujú tak na diaľku detekovať pohyb, zmerať veľkosť, alebo určiť tvar nejakého predmetu. Dovoľuje na mikrometre presne určiť pozíciu dopadajúceho svetelného lúča na aktívnu fotocitlivú plochu detektoru. Pozícia sa určuje porovnaním veľkostí prúdov z kontaktov detektoru, ktorých veľkosť sa spojito mení v závislosti na pozíciu dopadajúceho lúča na citlivú plochu. Jedná sa vlastne o variantu PIN diódy s fotocitlivou odporovou vrstvou v tvare pásika alebo plôšky.

d/ nábojovo viazané senzory CCD
používajú pre snímanie svetelného zariadenia kapacitory MOS alebo na PN prechod vo fotodióde. Pre snímanie plošného obrazu sa najčastejšie používajú CCD snímače typu interline transfer. Ako detektory sa používajú fotodiódy, ktoré akumulujú náboj vytvorený dopadajúcim svetlom. Po istej dobre sa tieto náboje naraz presunú do nábojovo viazaných CCD vertikálnych posuvných registrov.

e/ obrazové senzory CMOS
sú lacnejšie a rýchlejšie než senzory CCD. Najjednoduchšie CMOS senzory sú pasívne, ktoré generujú elektrický náboj úmerný energii dopadajúcich lúčov. Náboj ide cez zosilňovač do analógovo- digitálneho prevodníka. V praxi však dávajú tieto pasívne CMOS zlý obraz. Preto sa prešlo na aktívne CMOS senzory. Ich základom je pole fotodiódových prvkov vyrobených technológiou používanou pri výrobe CMOS obvodov. Fotodiódy sa vyrábajú s prúdom závislým na osvetlenie a premenným v rozsahu fA až nA. Ako pracovný odpor fotodiódy slúži transformátor typu MOSFET s pracovným napätím tesne nad prahovým napätím. Každá fotodióda je doplnené analytickým obvodom, ktorý aktívne eliminuje šum. Nevýhodou doterajších CMOS je ich malá citlivosť na svetlo. Je to dané tým, že obvody obmedzujúce šum sú vo vnútri buniek. Nedostatok sa rieši pridaním miniatúrnych šošoviek ku každej bunke a ďalšou miniaturizáciou kompenzačných obvodov.

f/ fotoopory MSM
ich podstatou je mikrovlnné páskové vedenie tvorené dvoma prúžkami na polovodičovom podklade (Si, GaAs). Elektródy sú prerušené úzkou medzerou (10 až 14 mikrometrov). Dopadajúce impulzy laserového zväzku zvýšia vodivosť podkladu, odpor pri ožiarení klesne na niekoľko Ω. Tieto prvky majú najkratšiu dobu odozvy (pribl. 12 ps), a sú tak vhodné pre senzory s extrémne krátkou dobou reakcie.

triangulačné senzory polohy
Bezdotykové optoelektronické senzory vzdialenosti využívajú princíp optické triangulácie. Laserový lúč vytvára na meranom objekte nepatrný svetelný bod. Detekciou uhlu odrazu tejto škvrny je potom vypočítaná vzdialenosť. Senzory automaticky kontrolujú intenzitu svetla. Odrazený signál dopadá na CCD alebo PSD snímací prvok s vysokým rozlíšením a pre ďalšie použitie je digitálne spracovaný. Vďaka tomu nie je meranie takmer ovplyvnené zmenami povrchu materiálu, jeho farbou a štruktúrou. Hrúbka môže byť meraná dvoma senzormi umiestnenými proti sebe.

optoelektronické senzory binárne
Sa dajú rozdeliť do niekoľkých skupín:
a/ jednocestné svetelné závory
b/ reflexné svetelné závory
c/ reflexné svetelné závory s laserovou diódou
d/ reflexné svetelné snímače
e/ reflexné svetelné snímače s potlačeným pozadím alebo popredím.

Výhoda optoelektrických senzorov oproti senzorom pracujúcim na ďalších fyzikálnych princípoch spočíva v necitlivosti voči rušeniu elektromagnetickými poľami a voči hluku. Optoelektrické senzory sú však citlivejšie na vlhkosť, vnútorné svetlo a infračervené žiarenie. Majú výhodu v širokom rozsahu vzdialeností, v ktorých sú schopné detekovať objekty. Ďalšou prednosťou sú ich malé rozmery pri pomerne veľkom rozsahu.

Ako zdroje svetla sa v súčasnej dobe najviac používajú luminisenčné diódy LED a polovodičové laserové diódy. Ako prijímače svetla sa používajú fotodiódy, prípadne fototranzistory. Vysielače premieňajú elektrický prúd na elektromagnetické žiarenie o vlnovej dĺžke svetelného spektra, zatiaľ čo prijímače naopak prevádzajú svetlo na elektrický prúd.

Ako vysielané svetlo sa najčastejšie používa svetlo infračervené, o vlnovej dĺžke l= 880 nm, prípadne 950 nm a svetlo vo viditeľnom spektre o vlnovej dĺžke 660nm.

Dôvody, pre ktoré sa používa infračervené svetlo spočívajú v tom, že fotodiódy majú v infračervenom rozsahu najväčšiu citlivosť, že svetlo s vlnovou dĺžkou väčšou než je priemer veľmi malých prachových častíc prechádza lúčom takmer bez rušení. Senzory využívajúce infračervené svetlo sú taktiež necitlivé voči rušeniu vnútorným zdrojom svetla z viditeľného spektra žiarenia.

a/ jednocestné svetelné senzory
Vysielače sú montované proti prijímačom v optickej osi. Ak je nejakým predmetom prerušená priama cesta svetla medzi vysielačom a prijímačom, zmenia sa elektrické vlastnosti fototranzistoru. Táto zmena je elektronickou jednotkou vyhodnotená a je signalizovaná zmenou stavu výstupného stupňa.

b/ reflexné svetelné závory

c/ reflexná svetelná závora s polarizačným filtrom
Pre detekciu zrkadľujúcich sa predmetov je vhodnejšie použiť reflexnú svetelnú závoru s polarizačným filtrom. Svetlo sa z vysielača šíri všetkými smermi. Po prechode polarizačným filtrom zostanú v svetelnom zväzku len lúče s jedným smerom polarizácie, so spoločnou polarizačnou rovinou. Smer polarizačnej roviny je určený orientáciou filtru, takže jeho natáčaním sa nakláňa i polarizačná rovina prechádzajúceho svetla.

d/ reflexné svetelné snímače
Majú obdobu konštrukcie ako svetelná závora. Taktiež sa tu nachádza vysielač a prijímač v jednom kompaktnom púzdre, samozrejme s odlišne orientovanou optikou. K vyhodnoteniu je použité odrazené svetlo priamo od detekovaného predmetu. Reflexné svetelné snímače majú menšiu snímaciu vzdialenosť oproti svetelným závorám a ich snímacia vzdialenosť je závislá na reflexných vlastnostiach detekovaných predmetov.

e/ reflexné svetelné snímače s potlačeným pozadím
Pre potlačenie rušivých vplyvov pozadia u reflexných svetelných snímačoch sa používajú predovšetkým metódy krížiacej sa optickej osi visielača a prijímača a metóda triangulančná.

f/ optoelektronické vláknové senzory
Pre zvláštne podmienky nasadenia, napr. Do prostredia s vyššou teplotou či striekajúcou vodou, alebo na zle prístupné miesta, boli vyvinuté zvláštne optoelektronické senzory s optickými vláknami tvorenými transparentnými dielektrickými vláknami, ktoré sú buď plastové, alebo sklenené. Svetlovody umožňujú zaviesť svetelné lúče do rôznych miest a tam detekovať aj tie najmenšie predmety. Optické vlákna z hľadiska konštrukcie môžeme deliť na 3 základné prevedenia:
1-mnohovodivé jadro priemer 100 až 600µm (skoková zmena indexu lomu)
2-jednovodivé jadro priemer 5 až 6µm (šíria len jediný vid)
3-gradientné jadro priemer 50µm (takmer rovnaká doba šírenia jednotlivých vidov).
Jadro optického vlákna je opatrené vláknom, napr. z polyetylénu. Pre zväčšenie mechanickej a tepelnej odolnosti sa opatrujú sekundárnym plášťom, napr. z kovu.

Laserový interferometer
Je zariadenie poskytujúce vysokú úroveň presnosti, ale tiež drahé zariadenia a zariadenia, ktoré vyžadujú veľký zástavbový priestor. Pre prekonanie týchto nevýhod vyvinula firma Renishaw novú generáciu interferometrických systémov s distribúciou laserového lúča pomocou sklenených optických vlákien. Hlavice, ktoré tvoria zakončenie optických vlákien, sú vybavené možnosťou presného nasmerovania lúča a výstupom systému sú sygnály v štandardných priemyselných formátoch. Vláknový laser oproti tomu privádza lúč priamo do osi merania a umožňuje flexibilne nastaviť hlavicu mimo priestor ovplyvnený tepelným vyžarovaním laseru. Vláknová optika redukuje dobu nevyhnutnú pre inštaláciu a umožňuje využívať jeden zdroj laserového žiarenia až pre 2 nezávislé osi.

Laserový difúzny senzor
Ide o laserový snímač na meranie vzdialenosti. Pracuje na princípe vysielania krátkych svetelných impulzov a zaznamenáva čas, ktorý potrebuje lúč na návrat späť k senzoru. Za milisekundu zmeria priemernú dobu medzi vyslaním a prijímom 1000 impulzov, z nej spočíta vzdialenosť a príslušnú hodnotu postúpi na výstup. Veľký dosah senzoru umožňuje merať vzdialenosť malých častí, alebo málo nápadných objektov či telies, dokonca i vtedy, keď je senzor umiestnený s veľkým odstupom od nebezpečnej oblasti výrobného procesu. Jasne a dobre viditeľné svetlo emitované laserovým lúčom zjednodušuje uvedenie senzoru do prevádzky. Senzor pracuje v difúznom móde s odrazom od povrchu identifikovaného predmetu.

3.2.1.1 Kamerové systémy
Uplatňujú sa v rôznych odvetviach. Slúžia k vizuálnej kontrole objektov a výrobných procesov, v lekárstve, letectve, vo vesmírnych programoch atd. V súčasnosti to sú tzv. inteligentné kamery súdržiace funkciu klasickej kamery a vyhodnocovacieho systému s komunikačným rozhraním. Inteligentné kamery dnes už zvládnu i náročnejšie operácie, ako je detekcia a rozpoznanie objektu, využívané v doprave pre čítanie registračných značiek alebo v priemysle pre kontrolu typu tovaru. Vyhodnocujú jednotlivé objekty a porovnávajú ich s predpísaným vzorom alebo skupinou vzorov. Rovnaké nároky kladie i funkcia meraného rozmeru. Funkcia kontroly kvality v sebe zahŕňa všetky vyššie zmienené metódy. Vyhodnocujú sa rozmery, povrchové vady, kontroluje sa vzhľad výrobku pre neskoršie použitie.

Limitujúcim parametrom snímacieho prvku je počet obrazových plošiek, ktoré je schopný rozlíšiť. Podľa geometrického usporiadania sa senzory delia na plošné a riadkové. Riadkový senzor má obvykle jeden riadok. Vďaka jednoduchej konštrukcii dosahuje rozlíšenie riadku až niekoľko desiatok tisíc bodov. Plošné senzory sú usporiadané do stĺpcov a riadkov vo vopred definovanom pomere , najčastejšie 4:3. Rozlíšenie podľa normy PAL je 752*582 obrazových bodov. To znamená, že výsledný obrázok je zostavený z z dvoch polosnímkov o veľkosti 752*291 obrazových bodov.

Plocha snímacieho elementu ovplyvňuje citlivosť senzoru a schopnosť reagovať na rôzne vlnové dĺžky. V súčasnej dobe sa používajú na výrobu senzorov dve technológie. CCD a CMOS. Typ použitého senzoru ovplyvňuje parametre nie len obrazu, ale aj kamery.

Ďalším prvkom v reťazci spracovania signálu v kamere je obvod starajúci sa o spracovanie dát zo snímacieho prvku. V jednoduchších kamerách to býva obvod bez procesoru na báze zákazníckych obvodov.

Vlastnosti komunikačného rozhrania určujú, v akom rozsahu a objeme sa dajú prenášať dáta získané kamerou. Niektoré kamery majú len sériové rozhrania typu RS-232C a RS-485 rozšírené o doplňujúcu sadu vstupov/ výstupov, ktoré môžu byť galvanicky oddelené. Ďalším sériovým rozhraním je Ethernet. Rozhranie môže bez problémov prenášať obrazovú informáciu a riadiace informácie veľmi vysokými rýchlosťami od 10 Mb/s do 1000 Mb/s po točenej dvojlinke aj po optickom vlákne. Poslednou skupinou sú rozhrania pre bezdrôtový prenos dát, kam patrí Bluetooth, WiFi a IrDA.

Softvér pre kamery sa obvykle skladá z operačného systému a aplikačného a užívateľského softvéru. Operačný systém zaisťuje služby na najnižšej úrovni, napr. inicializáciu služieb, zavedenie aplikačného a užívateľského softvéru, správu pamäte, komunikáciu kamery s perifériami a okolitým svetom, zaznamenávanie stavu systému a chybových stavov, podporu pri ladení cieľovej aplikácie a vzdialenú správu kamery. Dnes sa najviac využívajú operačné systémy postavené na prostrediach UNIX, Windows CE alebo systémy písané na zakázku pre daný typ zariadenia.

3.2.2Kapacitné senzory
3.2.2.1Kapacitné senzory dotykové
Základom kapacitného senzoru je dvoj- alebo viacelektródový systém, ktorého parameter sa mení pomocou meranej neelektrickej veličiny X. kapacita kondenzátorov býva rádovo jednotky až stovky pF. Je preto veľmi dôležité eliminovať vznikajúce parazitné kapacity. Čidlo je spojené meranou neelektrickou veličinou a vplyvom jej zmeny sa môže meniť medzera medzi doskami, plocha dosiek a dielektrikum, a tým výsledná kapacita. Ako merací obvod sa používajú:
- striedavé mostíky
- spätnoväzbové obvody
- diferenčné mostíky
- rezonančné obvody.

Senzory na kapacitnom princípe sa používajú na meranie sily materiálu, polohy, prítomnosti predmetu, deformácie, hladiny vlhkosti a pod.

3.2.2.2Kapacitné senzory bezdotykové
Ich základom je vysokofrekvenčný RC oscilátor. Senzor reaguje na zmenu kapacity, ktorá vznikne priblížením snímaného objektu do elektrického poľa kondenzátoru.

3.2.3Odporové senzory
3.2.3.1Odporové senzory analógové
Odporové senzory patria medzi pasívne senzory. Meraná neelektrická veličina je senzorom spojite prevedená na zmenu odporu. Čidlá pracujúce na odporovom princípe sú väčšinou zapojené do meracieho mostíka. Čidlo je s vyhodnocovacou časťou pripojené pomocou spojovacieho vedenia. Pripojenie je dvoj-, troj-, alebo štvorvodičové. Troj- alebo štvorvodičové pripojenie eliminuje vplyv odporu prívodu. Odporovým snímačom je potenciometer, ktorého bežec je mechanicky spojený so sledovaným objektom. Odporová dráha je vrstvová, drôtová, alebo z vodivého plastu CP. Rozdelenie odporových snímačov sa môže previezť podľa tvaru dráhy (lineárne, logaritmické a exponenciálne), podľa pohybu bežca (rotačné jednootáčkové, viacotáčkové alebo posuvné) a podľa materiálu dráhy. Vlastnosti sú ovplyvňované hodnotou TKR (teplotný koeficient odporu), životnosti, rozlišovacích schopností, triedou presnosti, linearitou a šumom. Zvláštnosťou sú lankové senzory, kde meraný objekt je s bežcom spojený lankom. Vyhodnocovacie obvody používajú výchylkové alebo mostíkové metódy známe z metód meraného odporu.

3.2.3.2Odporové senzory kontaktové
Pracujú na princípe skokovej zmeny odporu v závislosti na zmene polohy alebo posunutí neelektrickej veličiny. Na konštrukcii kontaktov závisí spoľahlivá činnosť. Kontakt má mať zodpovedajúci tvar, byť uložený v puzdre a má byť použitý vhodný materiál (napr. Au, Pt, W). Tým zaistíme malý prechodový odpor, dlhodobú stálosť a nezávislosť na prostredí. Ako kontakt sa tiež používa ortuť. Kontakty sa ovládajú mechanicky alebo magnetickým poľom. Na princípe zmeny magnetického poľa spínajú Hallové sondy, Wiegandové s senzory a jazýčkové relé. Ako kryt sa u jazýčkových relé používa sklenená banka, v ktorej sú zatavené kontakty. Pôsobením vonkajšieho magnetického poľa sa jazýčky zmagnetizujú, na ich voľných koncoch sa objavia opačné magnetické póly. Tie sa potom vzájomne pritiahnu. Tento princíp sa používa u senzorov detekujúcich polohu piestu pneumatických motorov. Súčasťou piestu týchto motorov je permanentný kruhový magnet. cez hliníková plášť valca potom sníma senzor polohy piestov. Hallové sondy sa používajú všade tam, kde potrebujeme senzor s bezkontaktným spínaním.

3.2.4Dotykové maticové senzory
Sú mimoriadne vhodné predovšetkým na použitie v automatizovaných montážnych systémoch. Jedná sa napríklad o montáž, kedy je na manipuláciu s objektom potrebné vedieť veľkosť a tvar objektu, silu potrebnú na uchopenie objektu a vlastnosti povrchu materiálu. Pre realizáciu dotykových maticových senzorov DMS existujú rôzne fyzikálne princípy a konštrukčné riešenia, ktoré sa líšia rozmermi, vlastnosťami a použitím. Medzi najznámejšie a najčastejšie používané patrí využitie matice hrotov, princíp optický, piezorezistívny, piezoelektrický, tenzometrický a ultrazvukový.

3.2.4.1Hrotové maticové senzory
Matica hrotov predstavuje pravdepodobne najstarší typ taktilného senzoru. Skladá sa z matice čidiel posunutia s pomerne veľkým meracím rozsahom. Podľa typu použitých senzorov posunutia môžeme rozlíšiť 2 základné typy: analógový a binárny. Analógový senzor sa používa tak, že pevným pritlačením senzora ku skúmanému objektu sa štruktúra povrchu objektu prenesie na maticu hrotov snímača. Posunutie hrotov sa meria vhodnými analógovými snímačmi polohy každého hrotu. Najčastejšie sa používajú snímače indukčné a kapacitné, ale možno sa stretnúť aj s optickými. V prípade binárneho maticového senzora sa k hrotom pripájajú dvojhodnotové snímače polohy. Možno tak získať dvojrozmerný obraz meraného objektu. 3D obraz sa získava len pri použití analógového snímača, ak sa meria súčasne aj veľkosť posunutia jednotlivých hrotov.

3.2.4.2Piezorezistívne a piezoelektrické maticové senzory
Ako piezorezistívny je označovaný materiál, ktorý v závislosti na pôsobiacom zaťažení mení svoj elektrický odpor. Základom tohto materiálu je spravidla silikónová guma alebo kaučuk s výdatnou prímesou vodivých častíc. Ich priemerný podiel sa pohybuje v rozsahu 15 až 20%. Závislosť vodivosti takto vzniknutého materiálu na jeho napnutí je obvykle nelineárna, ale v obmedzenej oblasti použitia sa dá dostatočne linearizovať. Pri nulovom zaťažení je elektrický odpor takmer nekonečný. Pri zaťažení sa vodivé častice k sebe približujú až k vzájomnému dotyku a tým odpor klesá. Zmena elektrického odporu tak dosahuje rádovo niekoľko dekád. Obvykle sa ale nemeria odpor priamo, ale prostredníctvom zmien napätia alebo prúdu. Ako čidlo sa môže použiť na silu citlivý rezistor FSR . Zmena sily pôsobí na zmenu odporu. Meria zložku sily kolmú na povrch senzoru a s rastúcou silou sa zmenšuje odpor. Obvykle je dymenzovaný tak, aby zmena pôsobiacej sily z 0,1 N na 10N zmenila odpor z 1megaohm na 2 kiloohmy. Tento režim sa často využíva pre snímače na dotyk prsta. Základom odporového čidla sily je teda rezistívny element vyrobený technológiou hrubých vodivých polymerových vrstiev PTF. Pôsobením sily na povrchu sily sa vodivé častice vzájomne dotýkajú, vytvárajú paralelne pôsobiace vodivé dráhy (mostíky), takže odpor vrstvy s rastúcou silou klesá. Kontaktné vodiče a plôšky vytvárajú prepojenie vodičov s rezistívnou vrstvou. Môžu byť najrôznejšieho tvaru, ale často sa využíva tzv. meander. Veľmi dobrým riešením sú tiež piezoelektrické polyméry- materiál je poddajný, húževnatý a má malú mernú hmotnosť.

3.2.4.3Optoelektronické maticové senzory
Princíp optických dotykových senzorov sily spočíva v sledovaní zmeny intenzity lúča odrazeného do dotykového povrchu senzoru. Pretože intenzita lúča závisí od vzdialenosti fotocitlivého prvku a na taktilnom povrchu senzoru, dá sa určiť rozloženie pôsobiaceho zaťaženia.

3.2.5Indukčnostné senzory
Sú pasívne a pracujú na princípe, kde je meraná veličina privádzaná na zmenu indukčnosti L, alebo vzájomnej indukčnosti M. indukčnosť je pripojená do meracieho obvodu so striedavým napájaním najčastejšie mostíkového alebo rezonančného. Senzory pracujúce na indukčnostnom princípe sa používajú i pre meranie ďalších neelektrických veličín.

3.2.5.1Indukčnostné senzory binárne
Sú to pasívne, binárne alebo analógové senzory reagujúce len na kov. Základom senzoru je trvale pracujúci oscilátor, najčastejšie LC, ktorého kmitočet je bežne 0,1 až 1 MHz. V aktívnej zóne senzoru sa uzatvára elektromagnetické pole cievky. Pokiaľ sa do tohto priestoru priblíži elektricky vodivý predmet, vzniknú v ňom vírivé prúdy, ktoré vytvoria magnetické pole pôsobiace proti poľu , ktoré ich vyvolalo (potlačené pole). Jedná sa o využitie Lenzovho pravidla. Tým sa zmenšuje oscilačná amplitúda. Pokiaľ sa ďalej približuje vodivý predmet, zníži sa amplitúda natoľko, že jej zníženie vyhodnotí klopný obvod a zmení svoj stav. Tým zmení svoj stav aj výstupný obvod, ktorý podľa zapojenia zopne alebo rozopne spínač. V prípade analógového senzoru je schéma zapojenia upravená. Je vynechaný klopný obvod a oscilátor je realizovaný tak, aby nemohlo prísť k vysadeniu osciláciou. Amplitúda oscilácie musí klesať lineárne v závislosti na vzdialenosti. Výhodou indukčnostných senzorov je malá spotreba energie len v mW, vf magnetické pole nepodlieha rušeniu, neinterferuje s ostatnými a magnetický jav na povrchu predmetu je nevýznamný. Senzor je odolný voči prachu, vibráciám a vlhkosti, má vysokú spínaciu rýchlosť s jednoznačným zopnutím či rozopnutím vďaka použitiu bezkontaktného polovodičového snímača.

Pre triedenie drobných súčiastok je možné využiť indukčný kruhový senzor s výstupom 0 až 10 V. senzor je možné využiť i pre meranie polohy. V tom prípade sa používa merací kužeľ, ktorý sa zasúva do senzoru.

3.2.5.2Lineárny senzor polohy FLDT
Jedná sa o indukčnostný senzor pracujúci na princípe vírivých prúdov. Funkcia senzoru vychádza zo zmeny vlastnej indukčnosti cievky v závislosti na polohe feromagnetického jadra spojeného s meraným objektom. Jedná sa o rýchly lineárny senzor polohy. Skladá sa z valcovej cievky s feritovým plášťom. Do cievky zabieha jadro, hliníková trubička. Cievka je budená striedavým prúdom o kmitočete okolo 100 kHz. Vytvorené vysokofrekvenčné magnetické pole vyvoláva vo vnútornej vrstve vírivé prúdy. Výsledná indukčnosť závisí len na tej časti cievky, kde nie je zasunutá hliníková trubička, kde vystupuje magnetické pole.

3.2.5.3Lineárny senzor polohy LVDT
Lineárny rozdielový transformátor LVDT je tvorený transformátorom s primárnym vinutím N1, dvoma symetrickými sekundárnymi vinutiami N2, N3 zapojenými v protifáze. Zmenou polohy feromagnetického jadra sa mení vzájomná indukčnosť primárnych a sekundárnych cievok.

3.2.6Magnetostrikčné senzory
Pre meranie vzdialeností a nastavovanie polohy sú určené senzory lineárneho posunutia. Dá sa s nimi stretnúť v širokom spektre aplikácií v obrábacích, vstrekovacích, liacich, rovnacích, drevoobrábacích, rezacích a baliacich strojoch, lisoch a zdvíhacích, tvarovacích, valcovacích a zlievarenských zariadeniach, dopravných systémoch, portálových robotoch, letových trenažéroch, výťahoch atď. tieto senzory pracujú na magnetostrikčnom princípe. Vlnovod vo vnútri senzoru je torzne rozkmitaný vysokofrekvenčným pulzným signálom. Magnetické pole permanentného magnetu umiestnené v snímanom prvku spôsobí vo vlnovode prúdový impulz. Časová prestávka medzi počiatkami torzného a prúdového impulzu je priamo úmerná vzdialenosti snímacieho prvku. Elektronický prevodník potom mení nameraný čas na odpovedajúci analógový signál. Pretože pracovný princíp je bezdotykový, senzory sa neopotrebúvajú a vyžadujú skutočne len minimálnu údržbu. Senzory sú k dispozícii s meracími rozsahmi nastaviteľnými požadovaným krokom. Rôzne výstupy umožňujú pripojiť senzory k tradičným vyhodnocovacím i riadiacim jednotkám. Výborná linearita, reprodukovateľnosť a rozlišovacia schopnosť zaručujú presné meranie, poprípade nastavenie polohy. Meranie je absolútne, bez nutnosti vracať sa po výpadku napätia do referenčného bodu.

3.2.7Magnetické senzory
Rotačné magnetické senzory
a- senzor s Hallovými sondami
Rotačný senzor sa skladá z malého dvojpólového magnetu a čipu s maticou Hallových sond. Sondy v čipe snímajú zmeny magnetického toku pri rotácii inicializačného magnetu a vytvárajú Hallove napätie úmerné tejto zmene. Snímače reagujú len na zložku kolmú na povrch čipu. Dômyselným návrhom matice snímacích Hallových sond sa podarilo veľmi obmedziť vplyv externých magnetických polí a snímač je schopný pracovať i v prostredí s vysokou úrovňou magnetického rušenia a tiež sa vyrovnať s nedokonalosťami magnetického poľa inicializačného magnetu. Hallovo napätie z jednotlivých sond snímacej matice je spracované ďalšími obvodmi čipu do požadovaného formátu výstupu. Spôsob výroby čipu umožňuje v jednom čipe integrovať analógový, inkrementálny i absolútny formát.

b- senzor s magnetorezistormi
Tieto senzory využívajú k svojej činnosti magnetorezistory, nad ktorými sa pohybuje permanentný magnet. magnetorezistor je prvok, ktorého odpor závisí na hodnote indukcie magnetického poľa. Sú vyrábané buď ako feromagnetické AMR alebo polovodičové.

Pokiaľ požadujeme výstup v diskrétnej forme, môžeme použiť napr. inkrementálny senzor, ktorý je použitý v motoroch firmy Maxon. Využíva zmenu odporu v slabej vrstve magnetorezistívneho čidla zo zliatiny NiFe, ktorá je vyvolaná zmenou smeru magnetického poľa, v ktorom sa čidlo nachádza. Jedná sa o anizotropnú vrstvu v tvare pásiku s prierezom 50 nm .5 µm. Veľmi malý prierez zaisťuje dostatočne veľký elektrický odpor pre ďalšiu elektroniku. Senzor má malú citlivosť na nepresnosť montáže a na otrasy. Potrebuje podstatne menší priestor pre zástavbu než optické senzory, alebo senzory s Hallovými sondami. Pre jeho činnosť postačuje slabé magnetické pole. Behom otáčania permanentného magnetu v tvare kotúča so zmagnetizovanými 16 až 64 pólmi sa mení odpor magnetorezistívneho čidla presne podľa druhej mocniny sínusu uhla medzi smerom magnetického poľa a smerom prúdu v pásiku NiFe. Presnou interpoláciou je možné vytvoriť na výstupe až 1024 impulzov na jednu otáčku. Pásy pre 2 fázovo posunuté kanály a pre referenčný signál jedenkrát za otáčku sú súčasťou čipu senzoru. Závislosť senzoru od teploty bola vyriešená zapojením 4 páskov do Wheastsnovho mostíka, takže je eliminovaný vplyv teploty na odpor meracieho pásiku.

Magnetické senzory lineárne
Na meranie vysunutia piestnice pneumotoru využijeme tyče ako odmerné pravítko tak, že na tyči vytvoríme raster s magnetických značiek.

3.2.8Fluidné senzory
Základom sú pneumatické mostíky, využívajúce k svojej činnosti aerodynamické javy. Väčšinou neobsahujú pohyblivé mechanické časti a sú vhodné aj pre veľmi ťažké pracovné podmienky. Sú používané v upínacích mechanizmoch nástrojov pre obrábacie stroje, v tvarovacích strojoch , v lisovniach a v automatizovaných montážnych systémoch výrobných liniek.

3.2.9Ultrazvukové senzory
Pracujú na princípe odrazu ultrazvukových pulzov od detekovaného objektu. Senzor vyšle krátku sekvenciu zvukových pulzov, 10 až 20 periód s kmitočetom daným rezonanciou ultrazvukového meniča (rádovo desiatky kHz). Potom sa prepne do prijímacieho režimu a očakáva odraz od nejakého objektu. Ak snímač zachytí ultrazvukový signál, porovnaním vyslanej a prijatej sekvencie zistí, či naozaj ide o odraz vyslaného signálu. Ak áno, je na základe dĺžky časového intervalu medzi vyslaným impulzom a prijatým odrazom a rýchlosťou šírenia zvuku v danom prostredí vypočítaná vzdialenosť od sledovaného objektu. V prípade binárneho výstupu, ak došlo v sledovanej vzdialenosti k odrazu vyslaného signálu. Senzor môže byť realizovaný i s oddeleným vysielačom (reproduktorom) a prijímačom (mikrofónom).

Základné delenie ultrazvukových senzorov:
-pre priamu detekciu s kombinovaným vysielačom a prijímačom- jednohlavé systémy, merací rozsah 0- 6000mm, nastaviteľný
-pre priamu detekciu s oddeleným prijímačom a vysielačom – dvojhlavé signály
-jednocestná ultrazvuková závora- dvojhlavé systémy pre veľké vzdialenosti medzi vysielačom a prijímačom.

3.3Senzory teploty
K stanoveniu teploty sa využíva závislosť určitých fyzikálnych veličín na teplote, alebo teplotu meriame len nepriamo. Meranie teploty potom spočíva v tom, že porovnávame teplotu daného telesa s definovanou stupnicou. Medzinárodná teplotná stupnica ITS90 stanovuje 17 presne definovaných bodov. Základnou jednotkou termodynamickej teploty je stupeň Kelvina (K). Je definovaný zvolením termodynamickej teploty trojného bodu vody na pevne stanovenú hodnotu T=273,16 K. súčasne definuje i teplotu (t) v stupňoch Celzia ako t=T-T nula = T-273,15.

Senzory teploty môžeme podľa fyzikálneho princípu rozdeliť na odporové, termoelektrické, polovodičové monokryštalické a termistory dilatačné, optické, radiačné, chemické, magnetické atď.

Podľa styku s meraným prostredím sa delia na dotykové a bezdotykové. Ďalej ich rozdeľujeme na aktívne (generátorového typu), termoelektrické články a na pasívne, kde teplotu meriame nepriamo transformáciou na inú fyzikálnu veličinu.

3.3.1 Dotykové senzory teploty
3.3.1.1 Odporové senzory
Využívajú závislosť odporu materiálu od teploty. Najčastejšie sa k ich výrobe používajú čisté kovové materiály. U týchto materiálov je teplotný súčiniteľ odporu a kladný. Odpor pri teplote vypočítame: Rv= Rnula * (1+a Δ V).

Odporové čidlá teploty rozdeľujeme podľa druhu odporového materiálu čidla na kovové (platina, nikel a meď) a polovodičové monokryštalické (kremíkové a termistory). Elektrickým signálom týchto čidiel je úbytok napätia, ktoré vzniká na teplotne závislom odporu čidla priechodom meracieho prúdu.

V konštrukcii čidiel v minulosti prevažovali čidlá teploty v drôtikovom prevedení, ale v súčasnosti sa už dáva prednosť vrstvovým čidlám. Na povrch nosnej keramickej doštičky je nanesená vrstva odporového materiálu (Pt, Ni, Cu). Vlastné nanesenie sa prevádza rôznymi metódami, napr. metódou sítotisku, naparovaním alebo naprašovaním cez masku vo vákuu. Nastavenie základného odporu sa obvykle prevádza vypaľovaním odporovej dráhy laserom.

Polovodičové odporové čidlá bez PN prechodov majú monokryštalické alebo polykryštalické štruktúry. Medzi čidlá s monokryštalickou štruktúrou radíme napr. kremíkové čidlá. Ich teplotný rozsah použitia je v rozmedzí -50 až +150ºC, stredný súčiniteľ odporu kremíku je rádovo 10 na mínus druhú K na mínus prvú. Monokryštalické čidlo teploty pracuje na princípe kužeľovitého rozptylu prúdu medzi dvomi elektródami, pričom odpor štruktúry závisí od pohyblivosti voľných nosičov náboja a je preto funkciou teploty.

Veľmi rozšírenými polovodičovými čidlami sú termistory. Tie sa delia na skupinu s negatívnym súčiniteľom odporu- NTC(negastory), a na skupinu s pozitívnym súčiniteľom odporu - PTC(pozistory). Negastory sa vyrábajú práškovou technológiou z kysličníkov kovov. Vylisované čidlá sa spevňujú zlinovávaním za vysokých teplôt. Sú vyrábané v širokom rozsahu odporových hodnôt R nula (10º / 10 na šiestu Ω) pre teploty v rozmedzí ä-80/+200ºC). základnou nevýhodou je nelineárny priebeh charakteristiky a jej individuálnosť. Pozistory sa vyrábajú z polykryštalickej feroelektrickej keramiky, napr. titaničitanu bárnatého. Používajú sa pre presné merania v definovaných úzkych rozsahoch, tepelnej ochrany atď.

Odporové čidlá sa do meracieho obvodu pripájajú pomocou dvoch, troch alebo štyroch vodičov. Pre presné merania sa zásadne požaduje štvorvodičové zapojenie. Meria sa úbytok napätia na meraciom odpore napájanom konštantným prúdom zo zdroja I.

3.3.1.2 Termoelektrické senzory
Funkcia termočlánku teploty je založená na vzniku termoelektrického napätia v styku dvoch rôznych kovov, resp. polovodičov, ktorých konce sú umiestnené v prostrediach s rôznymi teplotami. Prevedenie čidiel závisí od typu merania a sú väčšinou vložené do puzdra. Neizolovaný, otvorený spoj sa doporučuje pre meranie teploty statického alebo prúdiaceho plynu, kde sa vyžaduje rýchla odozva. Izolovaný spoj sa doporučuje pre meranie v koróznom prostredí, kde je žiaduce, aby termočlánok bol elektricky izolovaný a odtienený od puzdra. Zemnený spoj sa doporučuje pre meranie teploty statického alebo prúdiaceho plynu či kvapaliny a pre aplikácie pri vysokom tlaku. Kontakt je zvarený s ochranným puzdrom. Meracie obvody termoelektrických článkov musia potlačiť rušivé signály, tj. predovšetkým kolísanie zrovnávacej teploty a ďalej vplyv odporov predlžovacieho a spojovacieho vedenia. Vplyv kolísania zrovnávacej teploty zrovnávacieho spoja sa eliminuje vložením kompenzačnej krabice pre jeden obvod, alebo dodržaním konštantnej teploty zrovnávacieho spoja termostatom regulujúcim teplotu na vyššej hodnote.

3.3.1.3 Polovodičové senzory PN
Čidlá využívajúce teplotnú závislosť PN prechodu sú termodynamické diódy a tranzistory. Meranou veličinou je úbytok napätia na prechode PN polovodičovej diódy (emitorová dióda tranzistoru) pre konštantnom prúde. Výstupné napätie obvodu je lineárnou funkciou zmeny napätia prechodu diódy báze-emitor ΔU BE, ktoré je dané teplotou prechodu. Napr. pre vťažnú teplotu T nula= 298 K a kremík je pomer prírastku napätia na dióde a zmeny teploty vyjadrený δU D /δT = -(2,0 až 205)mV*K na mínus prvú. Tieto čidlá sú využívané v integrovaných obvodoch, kde čidlo a elektronický obvod tvoria monolit. Čidlo je tvorené dvojicou bipolárnych tranzistorov napájaných zo zdroja prúdu. Toto usporiadanie sa nazýva PTAT obvod a je využívané v monolitickom senzore teploty s integrovaným sigma- delta modulátorom. Výstupný signál ma impulzne širokú moduláciu.

3.3.2 Bezdotykové senzory (pyrometre)
Merajú povrchovú teplotu telesa na základe vysielaného elektromagnetického žiarenia telesom. Prijímací detektor prijíma žiarenie vo vlnovej dĺžke od 0,4 µm do 25µm. jedná sa o rozsah teplôt od – 40 ºC do + 10000ºC. Senzory delíme podľa použitého princípu interakcie fotónov na:
-tepelné (termoelektrické, bolometrické a pyroelektrické)
-kvantové (PIN diódy, QWIP detektory atď.)

Plošné detektory sa používajú v maticovom usporiadaní FPA.

Pre bezdotykové senzory teploty sa používa názov pyrometre. Rozdeľujú sa na:
-úhrnné pyrometre (merajú celý rozsah tepelného žiarenia)
-monochromatické pyrometre (spektrálne selektívny pyrometer)
-pomerové pyrometre (pomer dvoch žiarení pri dvoch vlnových dĺžkach)
-pyrometre s optickými vláknami v infračervenej oblasti

Ďalším typom bezdotykového senzoru teploty je termovízny systém, ktorý môžeme rozdeliť na:
-termovízne systémy s opticko- mechanickým rozkladom
-termovízne systémy s maticovým detektorom

3.3.2.1 Termovízne systémy s maticovým detektorom
Informácia o zobrazovanom objekte a prostredí tvoriacom základné parametrické pole je systémom zobrazujúcim infračervené žiarenie rozložená na jednotlivé elementárne plôšky a v určitom časovom intervale zobrazená ako tepelný obraz- termogram. Podľa spôsobu rozkladu základného parametrického poľa v priestore a čase sa termografické systémy využívajúce rozklad delia na systémy s úplným rozkladom či s čiastočným rozkladom (skenovanie v riadku alebo v stĺpci). Inou možnosťou ako získať termogram je použiť systém bez rozkladu vstupnej informácie. Rýchlosť, akou systém dokáže transformovať základné parametrické pole na jeho obraz rozdeľuje termografické systémy na rýchle, pracujúce v reálnom čase a pomalé. Rýchlosť vzorkovania obrazového toku je u infračervených systémoch daná časovou konštantou detektoru a konštrukciou kamery a u systémoch používajúcich optomechanický rozklad tiež mechanickými vlastnosťami rozkladacieho mechanizmu. Základným prvkom termografického systému je detekčné čidlo, infradetektor. Detektory používané v súčasnej dobe sa dajú rozdeliť na:
-fonové, ktoré radiačný tok objektu menia priamo na elektrický signál
-tepelné, v ktorých radiačný tok vyvoláva zmenu teploty a zmena teploty zmenu odporu
-feroelektrické a pyroelektrické, u ktorých zmeny radiačného toku spôsobujú zmeny kapacity detektoru
-chladené fotokonduktívne detektory QWIP, v súčasnosti už s maticou až 640*480 pixelov.

3.3.3 Indikátory teploty
Jedná sa o prvky, ktoré slúžia k približnému stanoveniu teploty telies. Indikátor zmení svoj vzhľad, farbu alebo tvar na základe zmeny kritickej teploty. Používajú sa farebné indikátory teploty vo forme lakov a stmelených práškov, teplomerových nálepiek, luminiscenčných indikátorov a kvapalných kryštálov. Indikátory môžu byť vratné (po schladnutí majú pôvodnú farbu) a nevratné. Pre vysoké teploty sa vyrábajú keramické žiaromerky v tvare trojbokých ihlanov, tyčiniek alebo krúžkov. Teplomerové kvapaliny, čo sú nevratné indikátory, sa nanášajú štetcom. Použijú sa napr. na kontrolu teploty u elektronických súčiastok. Po dosiahnutí kritickej teploty sa značka roztečie. U indikátorov z kvapalných kryštálov zodpovedá menovitá teplota väčšinou stredne zelenej farbe 15ºC. modrá farba 10ºC a červená 20ºC.

3.4Senzory sily, tlaku a hmotnosti
Tieto senzory v prevažnej väčšine používajú princíp prevodu sily, tlaku a tiaže na deformáciu. Využívajú fyzikálne účinky sily. Časovo premenná sila vyvolá zrýchlenie a hmotnosť m. znamená to, že F(t)=m*a. jednotkou sily je 1 N, čo je sila udeľujúca hmote 1 kg zrýchlenie 1 m/s na mínus druhú. Tlak je sila pôsobiaca kolmo na jednotku plochy p= F/S. Jednotkou tlaku je pascal (Pa).Je to tlak, ktorý vytvorí sila 1N pôsobiaca na plochu 1 meter štvorcový. Vzhľadom k tomu, že je to veľmi malá jednotka , používajú sa ďalšie jednotky, napr. 1 bar= 10 na piatu Pa. Pri určovaní hmotnosti bremena m, na ktoré pôsobí tiažové zrýchlenie g, vychádzame z F=G= m*g. Senzory sily a tlaku sú konštruované na rovnakom princípe. Jednotlivé prevedenia sa líšia predovšetkým podľa meracieho rozsahu, požadovanej presnosti, frekvenčného rozsahu a prípustných rozmerov. Veľmi často sa využívajú kovové fóliové tenzometre v mostíkovom zapojení. Pre meranie sily v rozsahu zlomkov newtonov po desiatky kN sa používajú polovodičové tenzometre. Pri meraní mechanického napätia sa využíva jeho závislosť na deformácii. Najčastejšie sa používajú kapacitné, rezonančné, odporové tenzometre a tenzometre s metastabilnými magnetickými zliatinami.

3.4.1Odporové tenzometre
Tenzometre sa používajú na meranie deformácie, zmeny rozmerov častí stroja, konštrukcie budov a i. Vyrábajú sa v dvoch základných prevedeniach, kovovom a polovodičovom (kremíkovom). Uplatňujú sa v senzoroch mechanických veličín. Menia ohmický odpor, ak sú vystavené mechanickej deformácii spôsobenej meranou veličinou. U kovových je zmena ohmického odporu spôsobená zmenou prierezu drôtika, fólie meracej mriežky a jej dĺžky. Mriežka, resp. tyčinka kovového tenzomeru má sledovať deformáciu meraného povrchu, s ktorým je spojená. Uplatňujú sa tam, kde je vyžadovaná veľká presnosť, zatiaľ čo polovodičové tam, kde treba veľkú citlivosť. Veľkosť odporu R je určená konštrukčným prevedením a tvarom tenzometra. Tenzometre určené pre presné meranie sú zapájané do mostíkových obvodov.

Meracie mriežky kovových tenzometrov sú najčastejšie vinuté zo slabého konštantanového drôtika, alebo sú leptané z konštantanovej fólie. Spravidla sú pritmelené k papierovej podložke. Popri tenzometroch pre meranie povrchovej deformácie v ťahu a tlaku v určenom smere sú vyrábané tenzometre s mriežkami vzájomne pootočenými o 45 stupňov určené na meranie povrchovej deformácie napr. hriadeľov zaťažovaných krútiacim momentom. Kovové tenzometre sú často využívané na meranie povrchových deformácií kriticky namáhaných súčiastok.

U polovodičových tenzometrov je zmena hodnoty spôsobená predovšetkým zmenou ich merného odporu. Využíva sa piezorezistívny jav.

Polovodičové tenzometre sú v súčasnej dobe vyrábané z kremíku v tvare tyčiniek s vhodnou kryštálografickou orientáciou ich pozdĺžnej meracej osi. Najčastejšie sú dotované bórom alebo hliníkom a vykazujú vodivosť typu P. u polovodičov typu P ohmický odpor s ťahovým napätím vzrastá, u polovodičov typu N klesá. Polovodičové tenzometre sú takmer výhradne používané v senzoroch mechanických veličín. Ich prednosťou je vysoká citlivosť, pribl. 60 krát väčšia ako kovových tenzometrov, ktorá umožňuje konštruovať senzory (sily, krútiaceho momentu, dráhy, tlaku, zrýchlenia a výnimočne pomernej deformácie v extenzometroch) veľmi malých rozmerov s vysokou tuhosťou ich meracích členov. Pri aplikácii polovodičových tenzometrov je nutné vždy teplotnú závislosť kompenzovať vhodným zapojením meracieho mostíka alebo pomocným obvodom. Vhodným umiestnením tenzometra na zariadenie ako aj vhodným usporiadaním do meracieho mostíka je možné zvýšiť citlivosť merania a potlačiť nelinearitu snímača a vplyv ovplyvňujúcich veličín.

3.4.2Deformačné členy
Podľa činnosti sa dajú senzory sily a tlaku rozdeliť na priame a nepriame. V prípade, keď deformáciu silou detekujeme pomocou princípu piezoelektrického , optického, magnetického alebo odporového, hovoríme o priamom spôsobe. Pri nepriamom spôsobe deformačný člen prevádza deformáciu na zmenu polohy alebo mechanického napätia. Pre najpresnejšie laboratórne merania hmotnosti v rozsahu gramov až stoviek gramov sa najčastejšie používajú čidlá kapacitné, čidlá využívajúce vláknovú optiku alebo piezorezistívne.

3.4.3Piezoelektrické senzory
Sú založené na piezoelektrickom jave. Pôsobením mechanických deformácií dochádza u niektorých druhov kryštálov k vzniku elektrického náboja. Tento dej je reciproký, priložením striedavého elektrického poľa sa kryštál mechanicky rozkmitá. Tieto vlastnosti vykazuje napr. kremeň, titaničitan bárnatý a olovnatý, niektoré makromolekulové látky a iné. V praxi sa najčastejšie využívajú vlastnosti SiO2 a BaTiO3.

Piezoelektrické snímače sa používajú predovšetkým pre meranie dynamických tlakov od frekvencie 3 až 5 Hz. Ich výhodou sú miniatúrne rozmery, jednoduchosť a umožňujú merať v širšom meracom rozsahu, napr. do 100 kHz. Používajú sa najmä k meraniu tlaku, tlakovej sily, zrýchlenia, výchylky a mechanického napätia.

3.4.4Kapacitné senzory
Základom je dvoj- alebo niekoľkoelektródový systém, ktorého parametre sa menia v dôsledku pôsobenia meranej neelektrickej veličiny. Pre meranie tlaku sa využíva kapacitný snímač, v ktorom dochádza k zmene vzdialenosti medzi elektródami. Jedna elektróda kondenzátoru je pevná a druhá je tvorená membránou. Je zrejmé, že zmeny kapacity a tým aj citlivosť budú najväčšie pri malých vzdialenostiach elektród.

3.4.5Optoelektronické vláknové senzory (OVS)

3.4.6Senzory momentu sily
Meranie momentu sily sa využíva väčšinou v súvislosti s prenosom mechanickej energie a pri určovaní výkonov strojov. Pre meranie momentu sily (krútiaceho momentu) sa využívajú deformačné členy, najčastejšie hriadeľ s kruhovým prierezom. Tento člen namáhame momentom sily. Deformáciu hriadeľa meriame pomocou tenzometra alebo snímačom výchylky. Moment sily je vektorová fyzikálna veličina a je rovný vektorovému súčinu vzdialenosti d od osy otáčania a pôsobiacej sily F.

Veľkosť momentu sily sa určí zo vzťahu M=F*d*sina, kde a je uhol, ktorý zviera sila F s vzdialenosťou d od osy otáčania. Vektor momentu sily leží v osy otáčania, M= F*d. orientácia sa určí pravidlom pravej ruky. Jednotkou momentu sily je newtonmeter (N.m)= moment sily 1 N.

Základné princípy senzorov momentu sily sú mechanické, optické a elektrické. Ako merací deformačný člen senzoru sa využívajú deformácie hriadeľa a zmeny magnetických vlastností hriadeľa. Senzor môže obsahovať merací hriadeľ alebo sa pripája k hriadeľu meraného stroja. Pre meranie sa využívajú nepriame princípy ( moment sily môžeme určiť z nameraných hodnôt poháňaného elektromotoru- prúdu, napätia a rýchlosti otáčnia) a priame (odporové, magnetoelastické, indukčnostné a kapacitné).

Senzor pracujúci na odporovom princípe využíva tenzometre, ktoré je časté a vhodné pre dynamické merania.

Mechatronický prístup
Senzory sa priamo integrujú do mechanických konštrukcií. Mechatronická konštrukcia senzoru hmotnosti nemusí byť náročnejšia ako konštrukcia klasického senzoru a jeho elektrických kompenzačných obvodov. Inštalácia senzoru s mechatronickým prístupom má tieto výhody:
-minimálne, prípadne žiadne nároky na stavebný priestor
-minimálne, prípadne žiadne nároky na konštrukčné zmeny okolia
-odpadávajú upevňovacie elementy potrebné pre klasický senzor
-zameniteľnosť mechatronického senzoru je spravidla rýchlejšia a za nižšie náklady ako u klasického senzoru
-priaznivé predpoklady pre dynamické meranie

3.5Senzory zrýchlenia
Akcelerometre sú vhodné nielen pre meranie odstredivých a zotrvačných síl, ale i pre určovanie pozície telesa, jeho naklonenie alebo vibrácie. Uplatnenie je v automobilovom priemysle. Merajú mechanické zrýchlenie, resp. silu vzniknutú zmenou rýchlosti pohybujúceho sa predmetu, prípadne statické zrýchlenie, resp. silu vzniknutú pôsobením gravitácie. Statické zrýchlenie je neustále prítomné a je teda nutné pri meraní dynamického zrýchlenia ho vo výsledkoch odstrániť filtráciou. Použitie: senzory pre airbagy, zariadenia pre riadenie jazdnej stability vozidla, meranie vibrácií náklonu akcelerácie odstredivej sily a zrýchlenia. Každý mechanický pohyb, ktorý sa dá fyzikálne vztiahnuť ku gravitácii sa dá týmito senzormi odmerať s dostatočne veľkou presnosťou a vysokou rýchlosťou odozvy na zmeny.

3.5.1Kapacitný akcelerometer MEMS
Vďaka patentovej technológii MEMS je celá mechanická štruktúra senzoru umiestnená spolu s vyhodnocovacími obvodmi na jednom monolitickom integrovanom obvode. Princíp merania je založený na zmene kapacity vnútorného pomerného integrovaného kondenzátora vplyvom pôsobiacej sily vzniknutej zrýchlením puzdra senzoru. Štruktúra obsahuje polykryštalické mikromechanické čidlo a technológiu BiMOS vytvorené integrované obvody pre spracovanie signálu zo senzoru. Štruktúra umožňuje merať kladné, záporné, statické a dynamické zrýchlenie. Pre aplikácie využívajúce statické zrýchlenie(gravitáciu), napr. meranie náklonu, môžeme použiť dvojosý akcelerometer ADXL202 s rozsahom +-2g. ak potrebujeme merať v droch osiach, potrebujeme triaxálny akcelerometer.

3.5.2Rotačný akcelerometer
Jeho použitie oproti akcelerometru s inkrementálnym čidlom je výhodnejšie vzhľadom k tomu, že nespracovávame množstvo neužitočných dát. Pri ustálených stavoch rotačného akcelerometra je jeho signál nulový. Len pri zmene rýchlosti, tj. vznik prechodového stavu, sa na jeho výstupe objaví signál.

3.5.3Elektrodynamický akcelerometer
Elektrodynamický senzor využíva Faradajov indukčný zákon. V magnetickom poli s indukciou B sa pohybuje vodič (cievka) dĺžky l a s rýchlosťou v. Na vývodoch sa indukuje elektrické napätie u = B. l.v, kde
-B je magnetická indukcia
-L je dĺžka vodiča cievky
-V je rýchlosť kmitania
Medzi pólovými nástavcami permanentného magnetu je vzduchová medzera v tvare medzikružia. Tu sa v poli permanentného magnetu, ktorý tvorí hmotnosť senzoru, pohybuje meracia cievka. V cievke sa pri kmitaní prenášanom z meraného objektu na puzdro senzoru indukuje elektrické napätie.

3.6Senzory prietoku
Senzory používané k meraniu prietoku a pretečeného množstva tekutín sa dajú rozdeliť podľa použitej meracej metódy, použitého fyzikálneho princípu, druhu meranej tekutiny atd. Základné meracie metódy: objemová a rýchlostná.
Objemová metóda je založená na definícii prietoku Qv, popr. Qm ako objemového množstva V, popr. Hmotnostného množstva m tekutiny pretečeného za jednotku času, teda Qv=V/t, popr. Qm=m/t, popr. Qm=Qv .p, kde p je hustota meranej tekutiny.

Objemové prietokomery (pracujúce objemovou metódou) sa používajú predovšetkým pri presných meraniach a v prevádzkach pri bilančných meraných kvapalín i plynov.

Rýchlostná metóda vychádza z definície prietoku ako súčinu strednej rýchlosti w prúdenia a prietokového prierezu S, teda Qv=w.S, popr. Qm=Sw . p.
-rýchlostné prietokomery

3.6.1 Objemové senzory
Zaujímavé sú spojito pracujúce senzory, ktorých odmerné nádoby sa samočinne striedavo plnia a vyprázdňujú. Pretože potrebnú energiu dodáva samotná prúdiaca tekutina, vzniká tu trvalá tlaková strata. Objemové (dávkovacie) prietokomery majú veľmi často impulzný výstup, čo je ich veľkou výhodou. Všetky ich konštrukcie sú veľmi náročné na presnosť výroby mechanických častí. Podľa konštrukcie sú prietokomery zvonové, bubnové a piestové.

3.6.2 Rýchlostné senzory
Rýchlostné prietokomery sú v prevádzkach najpoužívanejšie. Používajú sa prietokomery:
-plaváčikové – s kužeľovitou trubicou a rotujúcim plavákom alebo s valcovitou trubicou s kužeľovitým trnom a dutým plavákom, trubica musí byť orientovaná len zvisle.
-Turbínové- pre kvapaliny, snímanie otáčok lopatkového rotoru bezdotykovo, napr. indukčne
-Lopatkové a šrúbové- pre kvapaliny (vodomery) snímajú sa otáčky rotoru s lopatkami, a to dotykové (mechanické prevody) alebo bezdotykové (Hallove čidlá, indukčné čidlá a pod )
-Vírivé, vírové a fluidikové- predovšetkým pre pary a plyny. Vírové prietokomery sú jednoduché, s veľkou presnosťou, meracím rozpätím, veľmi malou trvalou tlakovou stratou, dlhodobou stabilitou a dlhou dobou života a frekvenčným alebo prúdovým výstupom.
-Indukčné- len pre elektricky vodivé kvapaliny, vrátane tekutých kovov. Neobsahujú pohyblivé časti, môžu pracovať v ľubovoľnej polohe a merajú pri oboch smeroch prúdenia.
-Ultrazvukové- dotykové a bezdotykové, hlavne pre kvapaliny vo veľkých potrubiach. Využíva sa unášanie ultrazvukového signálu prúdiacou tekutinou, zmena rýchlosti šírenia tohto signálu tekutinou (pre relatívne čisté tekutiny ), popr. Odraz signálu od prekážky v prúde tekutiny (napr. vzduchových bublín alebo nečistôt- Dopplerov jav).
-Prierezové (škrtiace orgány)- normovaná clona, dýza, Venturiho dýza, Venturiho trubica, štvrťkruhová dýza, dvojitá clona a pre znečistené tekutiny a kaly segmentová clona
-Rýchlostné sondy- Pitotova a Prandtlova trubica na meranie okamžitej rýchlosti prúdenia a výpočtu strednej rýchlosti
-Hmotnostné ( Coriolisove)- pre kvapaliny, pary i plyny
-Tepelné- kalorimetrické, pre plyny

Novou generáciou kalorimetrických senzorov prietoku plynu je senzor, kde čidlo spolu s vyhodnocovacím obvodom, vyrobené technológiou CMOS, je umiestnené na jediný kremíkový čip. Súčasťou senzoru CMOSens je doplnkové čidlo teploty umožňujúce presne kompenzovať jej vplyv, a prídavné inteligentné obvody pre zlepšenie funkcie a zaistenie vnútornej diagnostiky prístroja. V kremíkovom čipe je leptaním vytvorená membrána, pasivovaná sklenenou vrstvou. V jej strede sa nachádza topný prvok a súmerne k nemu, vzdialené len zlomky milimetrov po a proti smeru prúdenia plynu, sú umiestnené 2 čidlá teploty.

Pre aplikácie, kde len chceme vedieť ak napr. plniaca kvapalina prúdi , stačí použiť dvojstavové senzory prietoku. U týchto senzorov len nastavíme prahovú hodnotu prietoku. Typickou oblasťou nasadenia je stráženie chladiacej kvapaliny pre nástroje, ochrana čerpadiel pred chodom bez dopravovaného média a pod.

4 Akčné členy mechatronických sústav
Mechatronická sústava sa vyznačuje synergickým pôsobením vyspelej elektrotechniky, mechaniky a riadenia, ale tiež inteligenciou a pokročilou konštrukciou.
V tejto kapitole sa budeme zaoberať akčnými členmi, ktoré realizujú prevod vstupnej veličiny na mechanickú výstupnú veličinu.

Vstupnou (riadiacou) veličinou môže byť elektrické, teplotné, magnetické alebo iní fyzikálne pole. Podľa typu prevodu sa akčné členy delia na:
-elektromechanické (riadené elektrickým poľom)
-pneumatické (riadené tlakovým plynným médiom)
-hydraulické (riadené tlakovým kvapalným médiom)
-špeciálne (riadené teplotným poľom, magnetickým poľom, či svetlom).

Každý má svoje výhody a nevýhody, ale ich vzájomnou kombináciou sa môžu zlepšiť výsledné vlastnosti mechatronickej sústavy. Inteligencia mechatronickej sústavy môže spočívať v riadiacej jednotke s procesorom, ale i žiadaný pohyb vykoná napr. pneumatický či hydraulický obvod. Sekvenčné riadenie takých sústav býva realizovaný elektromechanickým akčným členom, ktorý pomocou ventilov riadi toky médií. Hovoríme tak o elektropneumatických či elektrohydraulických akčných členoch.

Podľa typu mechanického výstupu delíme akčné členy na:
-a. č. s posuvným (translačným) pohybom
-a. č. s rotačným pohybom (motory)
-a. č. s väčším počtom stupňov voľnosti (napr. s pohybom po ploche.)

4.1 Elektromechanické akčné členy
Sú najvýznamnejšou skupinou výkonových prevodníkov – akčných členov mechatronických sústav. Realizujú prevod signálov sústavy na akčnú mechanickú veličinu (sila, mechanické posunutie, moment, otáčky, výkon). Výstupná veličina je spojená s pohybom, dej je spojený s premenou elektrickej energie na mechanickú. Vlastné riadenie prevádzky uskutočňuje riadiaca jednotka s istou inteligenciou. Tá je daná vlastnosťami a programovým vybavením riadiaceho procesoru a nadradeného riadiaceho počítača. Niektoré akčné členy sa vyznačujú materiálovou inteligenciou, danou vlastnosťami použitej látky. Zvlášť v posledných rokoch sú pre konštrukciu veľmi rýchlych prevodníkov aplikované nové kryštalické, polykryštalické a kompozitné, prípadne magnetostrikčné materiály, všeobecne nazývané inteligentné materiály.

Premena elektrickej energie na mechanickú využíva vlastnosti:
-magnetických polí (a, č. s magnetickým poľom)
-elektrických polí (a. č. s elektrickým poľom)
-materiálov pevnej fázy (piezoelektrické a. č. či akumulátory)

v praxi sú najrozšírenejšie akčné členy s magnetickým poľom, ale aj pneumatické a hydraulické a. č. Sú to klasické, priemyselné významné akčné členy.

4.1.1 Akčné členy s magnetickým poľom
Podstatná výhoda spočíva v tom, že prevádzajú energiu s veľkou hustotou. Na výstupe sa tak dá získať veľký silový účinok. To je významné ako u prevodníkov s posuvným (translačným) pohybom, tak u prevodníkov s rotačným pohybom a veľkým výstupovým momentom.

Priemyslové akčné členy, založené na prevode s magnetickým poľom, sú veľmi rozšírené a konštrukčne vyzreté. Sú to:
-jednotky s posuvným pohybom,
-elektrické motory s rotačným alebo posuvným pohybom (lineárne motory)
-servomotory (pracujúce akčné členy riadené sústavami so spätnými väzbami)
-špeciálne jednotky so zloženým, napr. kývavým pohybom.

4.1.1.1 Jednotky s posuvným pohybom
Využívajú:
-silové účinky magnetického poľa na vodič pretekaný prúdom (elektrodynamický princíp)
-silové účinky magnetického poľa na pohyblivú časť magnetického obvodu elektromagnetu (kotvu, prípadne jadro seleniodu).

a/ Silové účinky magnetického poľa na vodič pretekaný prúdom
príčinou vzniku MP s intenzitou H (A/m) je elektrický prúd I, pretekajúci tenkým vodičom s elementom dĺžky Δl. Intenzita magnetického poľa v bode A, ktorý leží mimo vodiča, je daná vzťahom H= ( I .Δl/r2). sin alfa, kde alfa je uhol medzi elementom Δl, vedúcim prúd, a spojnicou r elementu Δl a bodu A. Pre vybudenie magnetického poľa môžeme využiť permanentný magnet.

Magnetické pole sa dá opísať tiež magnetickou indukciou B (T),m závisiacou na intenzite magnetického poľa podľa vzťahu:
B=µr.µ0.H
V tomto vzťahu je symbolom µr označená relatívna permeabilita a symbolom µ0 permeabilitu vákua. Konečný stav magnetického obvodu popisujeme pomocou magnetického toku Φ(Wb).
Φ= B.S
Kde S je plocha kolmá na vektor B. Ak kolmo na vektor B umiestníme vodič pretekaný prúdom, vzniká silové pôsobenie:
ΔF=Δl.B.I

Orientácia sily prúdovodiča a magnetického poľa sú navzájom kolmé vektory.

Princíp má využitie v elektrodynamických výsuvných jednotkách , ktoré niektorí výrobcovia nazývajú lineárnymi motormi. Sila pôsobiaca na cievku umiestnenú na pružnom závese vo vzduchovej medzere magnetického obvodu budeného permanentným magnetom vyvolá posuvný pohyb cievky.


Rotácia závitu pretekaného prúdom v magnetickom poli
Vodič môže mať tvar obdĺžnikového závitu s plochou S pretekaného prúdom I. v magnetickom poli s intenzitou H vznikne mechanický dipólový moment závitu : m nula=µ nula.S.I, ktorý vytvára spolu s pôvodným magnetickým poľom mechanický moment Mmech1 (Nm). Ten je príčinou pootočenia závitu do polohy, v ktorej je rovina závitu kolmá na smer pôsobenia magnetického poľa:
Mmech1= mnula . H.sin alfa
Tu je a uhol medzi vektorom B (alebo H) a normálou roviny závitu.

Veľkosť výsledného mechanického momentu cievky s N závitmi:
Mmech=N.µnula.S.I.Hsinalfa= N.S.I.B.sinalfa.

b/ Silové účinky magnetického poľa na kotvu elektromagnetu
Významná skupina elektromagnetických akčných členov- elektromagnetov s posuvným pohybom- odvodzuje svoje silové pôsobenie zo zmeny energie magnetickéjo poľa ΔW pri posunutí kotvy o Δx
ΔF=ΔW/Δx
Zo vzťahu vyjadríme zmenu energie ΔW ako súčin sily ΔF a posunutia Δx, čo predstavuje prácu ΔAp vykonanú po dráhe Δx:
ΔW=1/2.B.H.ΔV= ½ .B.H.S.Δx=ΔF.Δx=ΔAp.

Výstupná elektrická energia dodaná do cievky elektromagnetu za čas Δt pokrýva straty teplom na reálnom odpore vinutia R, energiu potrebnú na vytvorenie magnetického poľa ΔΦ:
UiΔt= Ri na druhúΔt +iΔΦ
Kde U je rovnakosmerné napätie zdroja, i predstavuje okamžitú hodnotu prúdu.

Vyšetrenie prechodného deja po pripojení cievky na zdroj je nevyhnutné pre posudenie dynamického chovania elektromagnetu, tj. pre stanovenie doby príťahu, resp. doby odpadu kotvy elektromagnetu. Oba časové údaje sú dôležité v tých aplikáciách, v ktorých požadujeme rýchly akčný zásah realizovaný týmto akčným členom.

Uvažujme najprv o zjednodušenom prípade, v ktorom predpokladáme, že indukčnosť cievky L bude pre celú dobu prechodného deja konštantná. Budeme riešiť diferenciálnu rovnicu zostavenú pomocou Kirchhoffovho zákona o súčte napätí v uzavretej slučke:
L di / dt+Ri= U.

i= I (1- e –t/j )

vo vzťahu sme symbolom j označili časovú konštantu obvodu (j= L/R) a I ustálenú hodnotu prúdu (I= U/R).

V skutočnosti nie je indukčnosť cievke pri pohybe kotvy konštantná, čo ovplyvní priebeh prúdu i (t) behom príťahu i odpadu kotvy. Prejaví sa to deformáciou pôvodne exponenciálnych závislostí i(t).

Mnohé aplikácie vyžadujú čo najkratšie doby príťahu tp a odpadu kotvy tod elektromagnetického prevodníka. Možnosti skrátenia doby príťahu a odpadu kotvy sú:
-zväčšenie vstupnej energie po dobu príťahu. Realizuje sa zväčšením napájacieho napätia po obmedzenú dobu
-zväčšenie účinnej plochy S pólových nástavcov prevodníkov. Musí byť rešpektované vo fáze návrhu prevodníka
-dosiahnutie veľkej magnetickej indukcie B ( návrh budiacej cievky s veľkým súčinom počtu závitov a prúdu a voľba materiálu s vhodnými magnetickými vlastnosťami).
-tiež pri návrhu prevodníka.

Pre všetky tieto opatrenia zostáva elektromagnetický prevodník typu elektromagnetu relatívne najpomalším členom z elektronických blokov mechatronickej sústavy.

Silové účinky magnetického poľa solenoidu na feromagnetické jadro

Rovnakosmerným prúdom napájaný solenoid s osovo pohyblivým feromagnetickým jadrom je najjednoduchším elektromechanickým akčným členom. Po pripojení solenoidu na napätie je jadro vťahované do miest s najväčším magnetickým poľom. Pri odpojení zdroja od solenoidu je potrebná ochrannou diódou skratovať indukované napätie, ktoré môže dosiahnuť značné hodnoty. Z praxe je známy skôr prípad opačný akčnému účinku, kde pohyb jadra vyvoláva zmenu vlastnej indukčnosti cievky a je využitý v senzoroch polohy.

4.1.1.2 Elektrické motory ako akčné členy
- sú elektromagnetickou väzbou medzi statorom a rotorom. V súčasnosti sú konštrukčne vyzrelé, spoľahlivé a veľmi rozšírené jednotky elektrických pohonov, ktoré sa skladajú z meniča, motoru, spojky a pracovného stroja. Podľa spôsobu vyvodenia otáčavého pohybu rotoru sa dajú elektrické motory deliť na asynchrónne (indukčné), synchrónne, rovnakosmerné, rovnakosmerné s elektronickou komutáciou (bezkartáčové), ďalej korkové, striedavé komutátorové a rekultančné, všetky obvykle s rotačným výstupom. Lineárne motory majú posuvný pohyb založený na rovnakých princípoch ako u vyššie uvedených motorov s rotačným výstupom.

Elektrické motory vo funkcii akčného členu realizujú elektromagnetický prevod na konci reťazca spracovávania informácie, kde je potrebný výkonový zásah do regulovanej sústavy.
Ak sú doplnené spätnými väzbami. Hovoríme o regulačných pohonoch alebo o servopohonoch.

4.1.1.2.1 Asynchronné motory s frekvenčným riadením s pulzne- šírkovou moduláciou (PWM)
Frekvenčné riadenie otáčavej rýchlosti asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko predstavuje efektívny spôsob riadenia otáčok motoru, ktorý vychádza z nemnoho možností dosiahnutia zmeny otáčok:
n= ns (1-s)= f1/p (1-s)
ns- synchronné otáčky
s- sklz
f1- kmitočet napájacieho napätia motoru
p- počet pólových dvojíc statoru

podľa tohto vzťahu sa dá ovplyvniť synchrónnu otáčavú rýchlosť magnetického poľa motoru a teda aj otáčavú rýchlosť hriadeľa motoru zmenou kmitočetu f1 napájacieho napätia. Deje sa tak vo frekvenčnom meniči pri súčasnej úprave napájacieho napätia. To je treba meniť tak, aby boli zachované magnetické pomery v motore. Obvykle sa pri riadení tohto typu uplatňuje podmienka U1/f1= konst, tzn. Že zníženie kmitočetu musí odpovedať i znížené napájacie napätie a naopak. Ustálené riešenia moderných frekvenčných meničov používajú pulzne- šírkové modulácie (PWM) napájacieho trojfázového napätia motoru.

Prvým blokom frekvenčného meniča je neriadený usmerňovač, napájaný z jednofázovej siete (u asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko a výkonom na hriadeli pribl. do 2 kW) alebo z 3f siete pre väčšie asynchrónne motory s kotvou nakrátko. Nasleduje rovnakosmerný medziľahlý obvod a potom blok označený ako striedač.

Pulzne- šírková modulácia predstavuje spôsob spracovania výkonocého signálu striedačom. Pri tomto spôsobe je rovnakosmerné napätie medziľahlého obvodu v striedači premenené na sériu impulzov rovnakých amplitúd, kladných aj záporných, nerovnakej šírky. Pre každú fázu musí striedač vyrobiť neharmonický priebeh napätia fázovo posunutý proti predchádzajúcej fáze o 120 stupňov. Získame tak výkonové signály s periódou T1= 1/f1. Asynchrónny motor ich potom prijíma ako trojfázové mechanické napätie U1 s kmitočetom f1. Striedač nie je osadený tyristormi, ale výkonnými tranzistormi IGBT (bipolárny tranzistor s izolovanou elektródou), riadenými procesorom frekvenčného meniča.

V režime brzdenia menič obvykle neumožňuje úplnú rekuperáciu (návrat) energie do siete. V rekuperačnom režime mení energiu na teplo na záťažnom rezistore rovnakosmerného medziľahlého obvodu.

Procesor meniča komunikuje s nadradeným riadiacim počítačom a môže prijímať a spracovávať analógové i digitálne signály vstupných veličín. Mikroprocesor je programovaný podľa užívateľského menu z klávesnice.

Vzájomná funkčná previazanosť elektrotechniky a výkonovej elektroniky s obvodmi číslicového riadenia je v súčasnosti vysoká. Celý menič vychádza veľmi kompaktne a niektorí výrobcovia ho dokonca v určitých prípadoch umiestňujú na teleso motoru (Siemens). Pri frekvenčnom riadení asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko získame úplne odlišné vlastnosti, ako má samotný motor. Momentové charakteristiky sa pri splnení podmienky U1/f1= konst. s kmitočetom posúvajú a majú konštantný maximálny moment. Je to dané tým, že zmenou kmitočetu f1 meníme synchrónne otáčky asynchrónneho motoru. Pomocou užívateľského menu a klávesnice meniča sa dajú dosiahnuť definované priebehy a zmeny otáčavej rýchlosti asynchrónneho motoru. môžeme napr. dosiahnuť lineárny nárast otáčavej rýchlosti , konštantnú rýchlosť i lineárne zníženie rýchlosti v závislosti na čase.

Výsledné riešenie je prínosom do mechatronických systémov. V oblasti rozbehu a riadenia mechanickej uhlovej rýchlosti motoru má pohon vlastnosti , ktoré asynchrónny motor s kotvou nakrátko mať nemôže.

Vektorové riadenie asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko
Ide o režim riadenia upraveného asynchrónneho motoru s kotvou nakrátko pomocou pokročilého frekvenčného meniča. Vektorové riadenie môže byť realizované bez spätnej väzby alebo so spätnou väzbou so senzormi. V druhom prípade procesor meniča vyžaduje signál o polohe rotoru, magnetickom toku a odoberanom prúde. Procesor pracuje s matematickým modelom stroja, do ktorého je treba zadať tiež vhodné konštanty zdroja. Radu ďalších parametrov si procesor spočíta sám. Procesor prevádza číslicové spracovanie signálu o skutočnom stave a nastaví kmitočet f1 a veľkosť U1 napájacieho 3f asynchrónneho motoru tak, aby boli dosiahnuté požadované výstupné parametre stroja. Regulácia elektrického pohonu tohto typu je charakterizovaná vysokou požadovanou rýchlosťou odozvy. V intervale desiatok µs rieši procesor meniča sústavu diferenciálnych rovníc, predstavujúcich matematický model stroja. Požadovaná presnosť nastavenia polohy rotoru takého akčného člena je vysoká a predstavuje zlomky percent. Ako servopohony môžu takto riadené asynchrónne motory nahradiť iné typy pohonov v rade aplikácií.

Príkladom je rada kompaktných, vodou chladených asynchrónnych motorov s kotvou nakrátko firmy Siemens (1PH2- 1PH4) riadených frekvenčným meničom SIMODRIVE. Výkony motorov tejto rady sú od 3,7 kW do 100 kW, otáčky až 12000 1/min. Servopohon je vybavený meraním otáčok a polohy rotoru. Obdobným riešením vynikajú asynchrónne servomotory IndraDyn rady A, ktoré sa vyrábajú ako vzduchom či vodou chladené motory s výkonmi 1 – 100 kW a maximálnymi otáčkami až 10000 1/min (závisí od typu motoru). Asynchrónny servomotor je vybavený jednootáčkovým či viacotáčkovým absolútnym enkodérom zaisťujúcim vysoké rozlíšenie polohy rotoru a brzdou.

Moderné, frekvenčne riadené asynchrónne motory s kotvou nakrátko majú ošetrené i rozbehové pomery. Ako je známe, pri rozbehu asynchrónneho motoru vzniká na prívodoch veľký prúdový ráz. Ten je treba zmenšiť a záberový moment motoru pokiaľ možno zväčšiť. Klasické riešenia tohto problému viedli ku konštrukcii asychónneho motora s kotvou krúžkovou, vyznačujúcou sa 3f vinutou kotvou, vinutím rotora zapojeného do hviezdy a vyvedeným na krúžky. Na tie doliehajú kefy a sú pripojené spúšťacie odpory. Zväčšením reálneho odporu každej fázy rotora dosiahneme zväčšenie záberového momentu pri súčasnom znížení záberového prúdu. Niektoré riešenia spúšťania asynchrónneho motora s krúžkovou kotvou využívajú zmeny impedácie rotorového obvodu spúšťača. Motory s kotvou nakrátko majú problém obmedzenia zapínacieho prúdového rázu klasicky riešený iným spôsobom. Pri malých motoroch je to rozbeh „hviezda-trojuholník“, pri ktorom je najprv statorové vinutie zapojené do hviezdy a až po rozbehu je prepojené, obvykle automaticky, do trojuholníka. Riešenie zníži záberový prúd na tretinu, ale zníži tiež záberový moment. Zvláštnym riešením rozbehu sú motory s dvojitou klietkou alebo s klietkou vírovou, samozrejme za cenu odpovedajúcu zložitejšej konštrukcii motora a nízkej sériovosti vo výrobe. Toto usporiadanie využíva zmeny impedácie rotorovej klietky v priebehu rozbehu motora. V posledne dobe sa pre rozbeh asynchrónneho motora s kotvou nakrátko využíva tzv. soft-štartér alebo už zmienený frekvenčný menič. Soft-štartér je menič napätia, ktorý upravuje pomocou výkonných spínacích prvkov (triakov) strednú hodnotu napätia na motore, a tým ovplyvňuje sklz.

Frekvenčne riadené asynchrónne motory majú dominantné postavenie medzi priemyslovými aplikáciami elektrických pohonov.

4.1.1.2.2 Zvláštne asynchrónne motory.

Jednofázové asynchrónne motory s kotvou nakrátko

Jednorazové asynchrónne (indukčné) motory sa môžu uplatňovať ako malé akčné členy tam, kde je k dispozícii len jednofázová sieť. Rozbiehajú sa s použitím tzv. pomocnej fázy. Pomocná fáza je doplnená obvykle rozbehovým kondenzátorom, ktorý spôsobí, že fázový posun medzi prúdom a napätím pomocnej fázy bude odlišný od fázového posunu medzi prúdom a napätím hlavnej fázy. Vzniknuté magnetické toky sú proti sebe časovo posunuté. Usporiadanie sa tak priblíži nutným podmienkam pre vznik krútiaceho magnetického poľa. Iným jednofázovým indukčným motorom je asynchrónny motor s tienenými pólmi. Póly motora majú vinutie vytvárajúce hlavný magnetický tok Φh. Na častiach pólových nástavcov sú umiestnené medené závity nakrátko. V nich sa indukuje prúd, ktorý tvorí magnetické pole Φz. Časový priebeh Φz je posunutý proti magnetickému poľu vyvolanému hlavnou fázou.

Magnetické ložiská asynchrónneho motora

Ako zláštnu jednotku uveďme realizáciu elektrického pohonu s asynchrónnym motorom s kotvou nakrátko, riadeným zmenou kmitočtu. Nezvyčajnosť tohto pohonu spočíva v tom, že rotor je uložený v magnetických ložiskách (ASEA-Brown-Boveri).

Magnetické ložisko predstavuje riadenú elektromagnetickú sústavu, ktorá umožňuje udržovať feromagnetický hriadeľ pohonu v ose statoru. Princíp magnetického ložiska je naznačený na obr. 4.12.

Ak dôjde k odstredeniu v ose y o Δy je táto odchýľka polohy detekovaná indukčnými snímačmi S1y a S2 y. Riadiaca regulovaná sústava odchýlku spracuje a vyšle riadiace signály akčným elektromagnetickým členom: pribudne vinutie elektromagnetu M1y (prípadne upraví budenie M2 y) tak, aby regulačná odchýlka odpovedajúca Δy boal opravená. Obdobne je hriadeľ odstreďovaný v ose x. Na tomto princípe sú založené radiálne, ale aj axiálne magnetické ložiská pohonu.

Pohon väčšieho výkonu je riešený ako vertikálny. Hriadeľ je uložený v sústave dvoch radiálnych a jedného axiálneho ložiska a v kľude sa opiera o spodné, oporné ložisko. Pri aktivácii magnetických polí ložísk sa hriadeľ vysunie z oporného ložiska a dostane do pracovnej polohy, v ktorej sa nedotýka zadnej časti statoru. Až od tohto okamihu začína vlastné kmitočtové riadenie asynchrónneho motora vybaveného frekvenčným meničom. Taký motor sa môže uplatniť ako pohon čerpadla primárneho okruhu jadrovej elektrárne.


Lineárny asynchrónny motor

Lineárny asynchrónny motor predstavuje sústavu s rozvinutým rotorom (kotvou nakrátko) a statorom. Do roviny rozvinutý stators trojfázovým, 2p-pólovým vinutím, napájaný 3F prúdom vyvolá harmonicky premenné magnetické pole, ktoré sa bude pohybovať rýchlosťou

v = 2τp/T1 = 2τpf1

Vo vzťahu so symbolmi 2τp označili dĺžku dvoch pólových vzdialeností, T1 dobu periódy napájacieho statorového vinutia a f1 kmitočet napájacieho napätia. V dôsledku indukovaných napätí a prúdov v kotve nakrátko vznikne magnetické pole, ktorého interakcia s pôvodným magnetickým poľom od statorového vinutia vyvoláva silu pôsobiacu v priamom smere. Veľkosť tejto sily závisí na sklze. Zatiaľ čo dĺžka statora je obmedzená, dĺžka kotvy môže byť ľubovoľná.

V porovnaní s elektromagnetmi majú lineárne asynchrónne motory výhodu v podstatne väčšej účinnosti. Dĺžka lineárneho motora nie je obmedzená tak ako dráha, ktorú vykoná behom príťahu elektromagnet. Sila vyvolaná lineárnym asynchrónnym motorom síce závisí na sklze, ale nevykazuje také zmeny ako sila elektromagnetu, ktorá sa behom príťahu výrazne mení. K tomu odpadajú problémy s veľkou vlastnou indukčnou cievkou elektromagnetu.


4.1.1.2.3 Synchrónne motory s permanentnými magnetmi

Ide zvlášť o motory menších výkonov používané ako servomotory mechatronických sústav. Miesto budiaceho vinutia má motor v rotore permanentné magnety. Také riešenie odstraňuje straty v budení motora aj potrebu zdroja budiaceho prúdu. Moderným riešením je použitie permanentných magnetov zo vzácnych zemín (samarium-colbat alebo neodyn-ferrum –colbat), umožňujúci dosiahnuť vysoké sýtenie (1T) a veľké koercitívne sily (až 7000 A/cm). Optimalizovaná konštrukcia dovoľuje až 5násobné preťaženie, preto sú tieto motory vhodné pre dynamicky náročné aplikácie. Motory sa dajú dopĺňať aj vhodnou planetovou prevodovkou a dosiahnuť tak potrebný moment a otáčky motora.

Stator synchrónneho motora je trojfázový, s vinutím uloženým v drážkach. Motor je napájaný z frekvenčného meniča s pulzne-šírkovou moduláciou a pracuje v režime podobnom vektorovému riadeniu asynchrónneho motora. Dajú sa teda získať rôzne momentové charakteristiky pre rôzne synchrónne otáčky. Riadenie synchrónneho motora pomocou meniča kmitočtu rieši aj problém spúšťania synchrónneho motora. Ten je u synchrónneho motora priamo napájaného zo siete riešený pomocou kotvy nakrátko vloženej do rotora. V takom prípade hovoríme o asynchrónnom rozbehu synchrónneho motora. Kotva nakrátko je súčasne tlmičom (amortizérom) synchrónneho stroja. Tlmí kývanie synchrónneho stroja, teda malú periodickú zmenu záťažového uhlu pri chode stroja.

Zvláštnu skupinu tvoria synchrónne motory s veľkým momentom a nízkymi otáčkami, ktoré umožňujú pri konštrukcii pohonu s požiadavkou na veľký výstupný moment vypustiť prevodovku. Príkladom môže byť vodou chladený mnohopólový motor Siemens 1FW3 s menovitým momentom Mn = 1 500 Nm a menovitými otáčkami nn = 250 1/min. Je zrejmé, že pre f1 = 50 Hz vychádza pre tento stroj počet pólov 24. Ešte výraznejším príkladom akčného člena s veľkým momentom je fy Beck&Sons, Inc., určený pre presné polohovanie ventilov tekutinových médií a iné priemyslové aplikácie. Akčný člen vykazuje moment až 10 850 Nm. Kompaktná jednotka obsahuje aj mikroprocesorový riadiaci modul, takže odpadá vonkajší štartér a vonkajšia riadiaca jednotka. (Pre zaujímavosť, najväčší moment motora bežného osobného automobilu býva asi 100x menší)

Synchrónne motory ako servomotory sa v súčasnosti vyrábajú nielen ako nízkootáčkové s veľkým momentom, ale tiež ako vysokootáčkové, s otáčkami až 12 000 1/min pri momente niekoľkých Nm. Špeciálne synchrónne vysokootáčkové motory s vysokou dynamikou môžu dosiahnuť dokonca až 30 000 1/min, maximálneho momentu 30 Nm a menovitého výkonu 10kW (IndraDyn).

Menšie kompaktné servomotory so zabudovanou riadiacou jednotkou s online komunikáciou sa uplatňujú zvlášť v robotike, kde konkurujú rovnakosmerným motorom a v mnohých priemyselných odvetviach. Ako vodou chladené kompaktné jednotky môžu byť konštrukčne pripravené aj pre namontovávanie hriadeľov obrábacích strojov. Splňujú tak požiadavky na presnosť a plynulosť pohybu a výslednú kvalitu obrábania. Vyznačujú sa krátkym časom nábehu na požadované otáčky.

Lineárne synchrónne motory

Lineárne synchrónne motory predstavujú opäť stroj s rozvinutým statorom a rotorom. Ako akčné členy s posuvným pohybom môžu vyvinúť menovitú silu v rozmedzí 250-6 700 N pri menovitej rýchlosti od 8 do 2,5 m/min. Maximálna vyvinutá sila môže byť pritom niekoľkonásobkom menovitej sily. Tomu samozrejme zodpovedajú znížené hodnoty maximálnej rýchlosti. Lineárne synchrónne a asynchrónne motory s ťažnou silou od 100 N do 20 kN vyrába v ČR VÚES Brno, a. s.


4.1.1.2.4 Jednosmerné motory a ich riadenie

Elektrické pohony s jednosmernými motormi predstavujú v súčasnosti konštrukčne vyspelé jednotky s vynikajúcimi dynamickými vlastnosťami a priebehom momentových charakteristík. Príkladom môžu byť 4 alebo 6pólové, cudzo budené motory spoločnosti ASEA-Brown-Boveri (ABB) ponúkané vo výkonoch 25-1 400 kW, budení 110-440 V, napätí kotvy 815 V a momentoch od 200 Nm do 20 000 Nm. Ak má takýto akčný člen pracovať ako servomotor, budú jeho otáčky v najjednoduchšom prípade riadené zmenou napätia kotvy pri konštantnom budení. Servomotor je obvykle vybavený dvoma spätnými väzbami (otáčkovou a prúdovou), riadiacou jednotkou s regulačnými algoritmami a riadením tyristorovým usmerňovačom. Takéto usporiadanie predstavuje regulačný pohon so spojitým riadením, ktoré udržuje nastavené otáčky hriadeľa motora, prípadne prúd (moment) motora pri rôznych režimoch záťaže.

Mechanickú uhlovú rýchlosť ω2 hriadeľa rovnakosmerného motora sa dá pri konštantnom budení Φ riadiť napätím U, ktoré dodá riadený usmerňovač:


ω2 = Ui = U – Rcia – ΔUk
KsΦ KsΦ

Vo vzťahu predstavujú symboly Rc celkový odpor kotvy, ia prúd rotoru, ΔUk malý úbytok napätia na kefách a Ks konštantu rovnakosmerného stroja.


4.1.1.2.5 Pokročilé jednosmerné motory

Ako pokročilé rovnakosmerné motory budeme označovať konštrukčné riešenia odlišné od klasických. Ich cieľom je zlepšenie vlastností stroja. Príkladom sú rovnakosmerné pohony maxom. Sú to dynamické elektromechanické rotačné prevodníky s výkonom do 400W, ktoré na vytvorenie mechanického momentu využívajú silové účinky magnetického poľa na vodič pod prúdom. Tieto motory sa vyznačujú samostatným homogénnym rúrovým vinutím rotora. Uložením osy motora v keramických púzdrach a prevedením čapov v prevodovkách z keramiky na báze ZrO2.

Výsledkom vývoja nových materiálov a technológií sú nadpriemerné dynamické vlastnosti motorov, účinnosť, doba života a hustota výkonu v zaujímavom priestore a hmotnosti. Rovnakosmerné pohony tohto typu sú súčasťou ponuky, ktorá zahrňuje komutátorové rovnakosmerné motory, elektricky komutované (EC) motory, planetové a čelné prevodovky, elektromagnetické brzdy, inkrementálne snímače a riadiace jednotky.

Jednosmerné motory s komutátorom

Jednosmerné komutátorové motory rovnakej spoločnosti sa líšia od obvyklých rovnakosmerných motorov odlišnou konštrukciou vinutia rotoru. Závity vinutia nie sú vložené do drážok na povrchu jadra z transformátorových plechov, ale sú vytvarované a usporiadané do tvaru tenkej trúbky. Trúbka je spevnená, aby bola samostatná a bola schopná preniesť obvodovú silu z vodičov na hriadeľ. Trúbka je na jednom čele pripojená diskom k hriadeľu rotora. Hriadeľ v mieste disku nesie aj komutátor. V magnetickom poli statora sa otáča len medené vinutie, ostatné časti magnetického obvodu sú pevné.

Použitie samonosného vinutia prináša radu výhod:

-Výrazné potlačenie iskrenia medzi kefami a komutátorom. Dôvodom je skutočnosť, že zmena magnetického poľa a energie b samostatnom vinutí indukuje podstatne menšie napätie pre vyťažení oblúku, než by spôsobila energia magnetického poľa sústredená vo vinutí a v magnetickom obvode rotora konvenčného motora.

-Vysoká účinnosť motora (80-90%) a nízka energetická náročnosť sú ďalšími dôsledkami absencie železa rotora. Vznik strát v železa rotora je spojený s jeho postupným premagnetovaním v priebehu jednej otáčky v magnetickom poli statora. Je známe, že v rotore konvekčného motora sa vinú straty v železe, zložené zo strát hysterezných (premagnetovaním) a strát vírivými prúdmi. Hysterezné straty môžeme ovplyvniť voľbou feromagnetického materiálu (s malou koercitívnou silou), straty vírivými prúdmi sa klasicky obmedzujú zložením jadra z elektricky izolovaných plechov. Straty rastú s kmitočtom magnetického poľa (rýchlosťou otáčania), zahrievajú rotor a znižujú tak účinnosť.

-Vysoká magnetická indukcia je dosiahnutá použitím permanentného magnetu na báze vzácnych zemín. Najvýkonnejšie magnetické materiály sú na báze NdFeB, neodym-železo-bór. Ďalšie používané magneticky tvrdé materiály sú AlNiCo a magneticky tvrdý ferit.

-Pre permanentný magnet je týchto motoroch využitá dutina v samonosnom vinutí, mimo vinutia je len tenký feromagnetický plášť, ktorým sa uzaviera magnetický tok. Motor takého konštrukčného usporiadania má menší priemer a hmotnosť v porovnaní s konvekčnými motormi, kde je rotorové vinutie uložené v drážkach rotorových plechov a pre permanentné magnety zostáva miesto v statore.

-Vinutie motora má veľmi nízky moment zotrvačnosti a nízku indukčnosť. To sú parametre, ktoré sa prejavia v malej elektrickej aj mechanickej konštante. Mechanická časová konštanta 5 až 10 ms dáva motorom možnosť rýchlo sa rozbehnúť alebo zastaviť. Pohon spojený s riadiacou jednotkou veľmi rýchlo reaguje na regulačné odchýlky a riadenie je rýchle a stabilné aj pri prudkých zmenách zaťaženia.

Motory s elektronickou komutáciou (EC motory)

Bezkefové, elektronicky komutované (EC) motory neobsahujú mechanický komutátor. Vyznačujú sa spoľahlivou funkciou (cez 50 000 h v trvalej prevádzke), širokým pásom riadenia rýchlosti, malými rozmermi, krátkou časovou konštantou rozbehu, pripadne úplne rovnomerným priebehom momentu.

V konštrukcii valcových, elektricky komutovaných motorov sú upletnené rovnaké vinutia zmienené v predchádzajúcej kapitole. Vinutie valcových, elektronicky komutovaných motorov je súčasťou statora. Vinutie obklopuje magnet otáčajúci sa s rotorom. Feromagnetický prstenec zložený z plechov uzatvára magnetický obvod na vonkajšom obvode vinutia. Motory sú štandardne vybavené senzorom s troma Hallovými sondami, ktorý poskytuje riadiacej jednotke informácie o natočení rotora. Riadiaca jednotka zaisťuje elektronickú komutáciu, teda prepína prúd do sekcií vinutia. Priebeh prúdu odvodený od Hallových sond je obdĺžnikový a mechanický moment v priebehu otáčky je mierne zvlnený. Rovnomerný moment získame pomocou riadiacej jednotky, ktorá digitálne vytvára kvázi sinusový priebeh prúdu. Motor musí byť samozrejme doplnený inkrementálnym snímačom.

Riešenie elektronicky komutovaných valcových motorov má niekoľko výhod:

-Odstránenie kľudového stabilizačného momentu. V starove nie sú žiadne póly, ktoré v konvekčných motoroch priťahujú magnet rotora do určitých polôh. Tento jav je často nežiadúci, pretože je tak ovplyvnené natočenie v nastavenej polohe a vypnutý motor môže samovoľne zmeniť polohu rotora.

-Hnací moment pri chode motora nekolíše. Kolísanie momentu zhoršuje presnosť regulácie pri nízkej rýchlosti.

-Nízka elektrická časová konštanta aj elektromechanická časová konštanta do 10 ms v dôsledku nízkej vlastnej indukčnosti vinutia a vysokého priemeru hnacieho momentu na moment zotrvačnosti.

-Menší objem vonkajšieho feromagnetického prstenca, ktorý uzatvára magnetický tok, ako dôsledok odstránených pólov. Malé straty vírivými prúdmi hysteréziou zvyšujú účinnosť motora.

-Výborná proporcionalita prúdu a momentu v dôsledku využitia sily na vodič v magnetickom poli podľa Lorentzovho zákona, nie priťahovaním feromagnetických pólov.

EC rovnakosmerné motory sa vyrábajú aj ako štvorpólové. Toto riešenie sa oproti dvojpólovým motorom vyznačuje zvlášť vyšším využitím objemu a zvýšenou zložkou prúdu v smere osy motora (čo znamená zvýšený trvalý moment pri rovnakom priereze vinutia), tenším a ľahším feromagnetickým plášťom uzatvárajúcim magnetický obvod statora, väčším priemerom magnetu v rotore. Lorentzova sila na väčšom polomere pôsobí vyšším mechanickým momentom. Zväčšuje sa aj plocha nad pólom magnetu a počet vodičov vinutia v magnetickom poli.

Štvorpólový motor EC s priemerom 30 mm má oproti svojmu dvojpólovému predchodcovi s priemerom 30 mm a rovnakou dĺžkou väčší mechanický moment a výkon. Motor lepšie udržuje rýchlosť pri zvyšovaní zaťaženia. Výkon motora dosahuje hodnoty 200W. Štvorpólový motor EC sa svojim vysokým výkonom, dosiahnutým konštrukčne malou jednotkou, upletní v aplikáciách v stiesnenom priestore a s limitovanou hmotnosťou.

Diskové motory

V niektorých aplikáciach motorov je dominantnou požiadavkou čo najkratší motor. S ým býva spojený nárok na dosiahnutie potrebného momentu bez prevodovky, ktorá by motor predĺžila. Spomalenie a zvýšenie momentu realizuje EC diskový motor väčším počtom pólov. Rotor v tvare panvice nesie na vnútornom povrchu prstenca 8 až 24 magnetov s presriedanými pólmi po obvode. V statore vnútri prstenca je na feromagnetických jadrách vejárovito 6 až 18 cievok. Tri susedné cievky tvoria trojfázovú skupinu. Trojica sa po obvode 2 až 6 krát opakuje. Rýchlosti motorov sú medzi 20 000 ot/min pri motore s priemerom 6 mm a 5 000 ot/min pri 90 W motore s priemerom 90 mm. Väčšie motory môžu byť vybavené senzorom s Hallovými sondami, ktoré umožňujú naplno využiť dynamické vlastnosti motora aj pri rozbehu. Malé motory do priemeru 20 mm neobsahujú snímač. Motory bez snímača sú určené pre jednoduché aplikácie s obmedzenou dynamikou v malých rýchlostiach.


Planetové prevodovky rovnakosmerných motorov

Planetové prevodovky pripojené k motorom používajú špeciálne vyvinuté čapy planet z keramiky, ktoré umožňujú použiť vysokú výstupnú rýchlosť od motora a zmenšujú rozmery prevodovky. Prevodovky s priemerom do niekoľko desiatok milimetrov sa obyčajne mažú trvanlivou náplňou plastického maziva, vazelínou. Vstupná rýchlosť prevodoviek s priemerom cez 10 mm s kalenými oceľovými čapmi planet je obmedzená na 3 000 až 8 000 ot/min, aby sa neporušilo viskózne trenie planet na čapoch a na zuboch ozubených kôl. Prechod na keramické čapy na báze ZrO2 mal za následok zvýšenie prípustného výstupného momentu. Rýchlosti prevodoviek sú tak prispôsobené rýchlostiam komutátorových motorov s valcovým vinutím a môžu naplno využiť i ch výkon. Zavedením keramiky sa aj u prevodoviek zvýšila hustota výkonu na jednotku hmotnosti. Ani na vysoké prevodové pomery nie sú obvykle využívané slimákové prevodovky pre ich nízku životnosť a účinnosť, ktoré sú spôsobené veľkými obvodovými rýchlosťami a trením zubov slimákov o slimáčie koleso. V prípade, že je nutné zaistiť stabilnú polohu natočením pohonu pri úplnom odpojení elektrickej energie, je vhodné použiť elektromagnetickú brzdu.

Senzory servomotora

Na snímanie polohy rotora, jeho mechanickej uhlovej rýchlosti a zmyslu rotácie servomotora sa používajú:

-inkrementálne senzory (na optickom princípe);

-Hallove sondy;

-tachogenerátory;

-inkrementálne senzory (na magnetickom princípe).

Moderný prvok v sústave pohonov je magnetický inkrementálny senzor [10], ktorý využíva zmeny ohmického odporu mikroelementov z NiFe, vyvolané zmenou smeru magnetického poľa, v ktorom sa nachádzajú. Senzor má malú citlivosť na nepresnosť montáže a na otrasy. Pri rovnakej alebo vyššej citlivosti zaujíma podstatne menší priestor než optické senzory alebo magnetické senzory s Hallovými sondami. Behom otáčania permanentného magnetu vo tvare kotúča sa zmagnetizovanými 14 až 64 pólmi mení odpor mikroelementov podľa presného goniometrického vzťahu, podľa druhej mocniny sínusu uhlov medzi smerom magnetického poľa a smerom prúdu v pásku NiFe. Presnou interpoláciou je možné vytvoriť na výstupe až 1 024 impulzov na jednu otáčku. Na snímači bola vyriešená problematika silného vplyvu teploty. Zmena odporu v smere magnetického poľa je okolo 3% nominálneho odporu elementu. Rovnaká zmena odporu sa prejaví i zmenou teploty na 10°C. Na vytlačenom spoji snímača sú preto rozmiestnené v oblasti šírky jedného pólu dve štvorice mikroelementov zapojených do Wheatstonovho mostíka, ktorý vplyv teploty eliminuje.

Lineárne rovnakosmerné motory

Lineárne rovnakosmerné motory a servomotory tvoria kompaktné akčné členy s posuvným pohybom, tvorené elektronicky komutovaným servomotorom s uzavretou slučkou, guličkovým skrutkovým prevodom rotačného pohybu na lineárnej a enkodérom. Umožňujú riadenie polohy a rýchlosti posuvu. Rovnakosmerné motory a servomotory majú široké uplatnenie v automatizačnej technike, robotike, strojárstve (obrábacích strojoch) aj vo vojenskej technike [lineárne servopohony (equilibrators) na nastavovanie elevácie rýchlopalných zbraní].

4.1.1.2.6 Krokové motory

Krokový motor sa vyznačuje diskrétnym počtom polôh rotora v priebehu jednej otáčky a číslicovým riadením. Kmitočet riadiacich signálov býva udaný v rozsahu 1-20 kHz, uhol jedného kroku 0,9°-180°, výkon motoru do 2,5 kW. Motory majú obvykle niekoľko možností zapojenia statorového vinutia a jeho pripojenia na výkonný zdroj. Tým sa dá ovplyvniť momentová charakteristika motora, presnosť nastavenej polohy aj veľkosť odberového prúdu. Budiace vinutie statora je typicky dvojfázové, rotor je budený permanentným magnetom, axiálne polarizovaným. V celokrokovom režime je rozlíšenie 200 krokov na otáčku a uhol kroku 1,8°. Pri polkrokovoom režime je potom rozlíšenie 400 krokov na otáčku a zodpovedajúci uhol kroku 0,9°.

Malé krokové motory, synchrónne motory a EC motory môžu byť vybavené čelnou prevodovkou. Môžu pracovať tiež ako nastavovacie pre malé a presné natáčanie klapiek a ventilov v uhlovom rozsahu 0-90°.

Najčastejším konštrukčným prevedením je krokový motor s rotačným výstupom, existujú však aj krokové motory lineárne.

Lineárny krokový motor

Podobne ako krokový motor s rotačným pohybom môže byť lineárny motor prevedený:

-s pasívnym rotorom, teda s premennou reluktanciou vzduchovej medzery a nerovnakým počtom pólov statora a rotora;

-s aktívnym rotorom budeným prúdom vo vinutí;

-ako krokový motor hybridný, teda s budeným rotorom a remennou reluktanciou vzduchovej medzery.

Hybridný lineárny krokový motor sa vyznačuje budeným motorom (permanentným magnetom a elektromagnetmi A a B) a statorom s premennou reluktanciou vzduchovej medzery. Pólový rozstup pólových nástavcov rotora je odlišný od rozstupu zubov statora. Na obr. 4.23 je naznačená poloha, ktorú rotor dosiahol predchádzajúcou aktiváciou elektromagnetu A. Ak je následne prúdom vhodného smeru budený elektromagnet B, bude sa rotor pohybovať v naznačenom smere, až dosiahne polohu s minimálnou reluktanciou medzi pólovým nástavcom 4 a zubom statora. Vykoná 1 krok. Je zrejmé, že pojmy rotor a stator sú relatívne, statorom, alebo primárnou časťou, môže byť budený magnetický obvod a rotorom (sekundárnou časťou) kotva so zubmi.

Lineárny krokový motor má typický uhol kroku 1,8°, prípadne 0,9°. Menšiemu uhlu kroku zodpovedá vyššie rozlíšenie, pre uhol 0,9° môže byť rozlíšenie 1,5 µm pre plný krok. Taký lineárny akčný člen spĺňa požiadavku presného nastavenia polohy, dynamiky pohybu a veľkej životnosti. Môže pritom vyvinúť silu až 250 N [11].

Krokové motory s rotačným pohybom aj lineárne krokové motory nachádzajú uplatnenie v úlohách riadenia polohy a rýchlosti a v riadení synchronizovaných pohybov (X-Y zapisovače, riadenie snímacích hláv pevných diskov, posuvy numericky založených strojov, lekárske prístroje, telekomunikačné prístroje). Sú to akčné členy mnohých automatizačných aplikácií.

4.1.1.2.7 Relunktačné motory

Relunktačné motory sú charakteristické tým, že na rotore nie je žiadne vinutie ani permanentný magnet. Rotor je zložený len z vhodne tvarovaných plechov. Podobne ako pri krokových motoroch s premennou reluktanciou vzniká otáčavý moment v dôsledku rozdielnych magnetických odporov (relunktácií) nerovnomernej vzduchovej rezervy a vhodného napájania statorového vinutia. V posledných rokoch sa riešenie relunktačného motora vyznačuje nerovnakým počtom pólov rotora a statora a riadiacou jednotkou, z ktorej je motor napájaný. Takýto motor býva označovaný ako spínací relunktačný motor (SRM). Zásluhou jednoduchej konštrukcie rotora sa dajú získať vysoké otáčky rotora (až 100 000 l/min.), samozrejme s vysokými nárokmi na prevedenie ložísk. Motory môžu precovať aj v prostredí s relatívne vysokou teplotou okolia.

Ako zvláštny pohon môžeme označiť striedavý relunktačný motor v radiálnom usporiadaní (na zníženie dĺžky) s rotorom uloženým v magnetickom ložisku. Axiálnu a radiálnu pozíciu rotora udržuje prúd cievkami umiestnenými v statore. Informáciu o okamžitej polohe dávajú indukčné senzory. Rotačný pohyb je vyvolaný prepínaním prúdu budiacich cievok tak, ako u bežného relunktačného motora. Riadiaca jednotka tak môže riadiť otáčavú rýchlosť v rozmedzí 0-4 000 l/min. Tento akčný člen s magnetickou levitáciou (magnetickým závesom) je známy pod názvom MagLev [22]. Princíp bol využitý aj pre konštrukciu lineárneho pohonu.


4.1.1.2.8 Lineárne pohybové systémy

Lineárne pohybové systémy sa vyrábajú v modulárnom usporiadaní. Ich translačný pohyb môže byť vyvodený:

-lineárnym elektromotorom (princíp pôsobenia podľa druhu motora);

-pneumatickým pohonom;

-hydraulickým pohonom.

V prvom zmienenom prípade tvorí mechanické diely lineárneho modulu pohyblivá časť motora s primárnym vinutím motora, meniaca svoju polohu na permanentne zmagnetizovanej vodiace tyči obmedzenej dĺžky, ktorá je sekundárnou časťou motora. Pohyblivá časť motora má guličkové vedenie dráhy. Jednotka obsahuje lineárny enkodér a koncové bloky. Nemá rotujúce časti ani prevody rotačného pohybu na priamočiary. Dĺžka dráhy lineárneho motoru môže byť 2 000 mm, vyvodená sila 1 000 N, rýchlosť 2,6 m/s a zrýchlenie do 150 m/s2. Elektrická konštanta motora 1,06 ms [12].

Časté sú riešenia s prevodom rotačného pohybu na priamočiary pohyb.

Pohonom môže byť aj krokový sevomotor. Jeho malý moment vyvoláva po prevode s konštantou posuvu niekoľko mm/otáčku silu až 150 N. Pohybový systém je opatrený vodiacou koľajnicou a dosahuje maximálneho zrýchlenia až 6 m/s2 a najväčšej rýchlosti 0,2 m/s [13].

Riešenia inteligentných pneumatických pohonov Interakt spoločnosti Hoerbiger-Origa spočíva v začlenení všetkých ovládacích a signalizačných prvkov vrátane rozhrania zbernice AS-i do riadiacej jednotky, ktorá je súčasťou pohonu [22]. Priamočiare jednotky pneumatických valcov alebo bezpiestnicových lineárnych pohonov je možné pomocou zbernice prevádzkovať vo vzdialenosti až 300 m od komunikačnej jednotky.

4.1.2 Akčné členy s elektrickým poľom

Táto skupina akčných členov využíva silové účinky elektrostatického poľa. Keďže je však hustota energie elektrického poľa malá, nachádza princíp svoje uplatnenie len v špeciálnych prípadoch, napr. v meracej technike. Pre akčný člen tvaru doskového kondenzátora je typická príťažlivá sila, ktorou elektrické pole pôsobí na elektródy akčného člena.

Rovnakosmerné napätie U vybudí medzi elektródami elektrického poľa o intenzite E = U/h. Zvážme ďalej kapacitu doskového kondenzátora

C = ere0 S/h
kde er je relatívna permitivita prostredia, e0 je permitivita vákua, S efektívna plocha elektród a h vzdialenosť medzi elektródami.

Energia elektrického poľa akumulovaná v kondenzátore o kapacite C je

W = 1/2 CU2

Ak sa zmenší pri konštantnom napätí U vzdialenosť medzi elektródami o Δh, tak sa zväčší energia poľa medzi elektródami o ΔW

ΔW = ere0.S .U2/2h2Δh

pričom

ΔAp = ΔF.Δh = ΔW

Z toho príťažlivá sila

F = ere0S .U2/2h2

4.1.3 Akčné členy využívajúce vlastnosti inteligentných materiálov

Moderné elektromechanické výkonové prevodníky sa dajú charakterizovať snahou o:

-integráciu senzorických a aktuačných funkcií s mechanickým systémom;

-zmenšenie rozmerov pri maximálnom využití vlastností použitých materiálov;

-využitie počítačových prostriedkov podporujúcich konštrukciu (CAD).

Táto tendencia je zrejmá zvlášť pri novej generácii elektromagnetických akčných členov s priamou premenou elektrickej energie na mechanickú. Jú tak ovplyvňované významné aplikačné oblasti, ako sú:

-automobilová technika (riadenie spaľovacieho procesu, jazdný komfort);

-letectvo a kozmonautika (aktuátory elektroaktívneho riadenia letu, riadené prečerpávanie paliva);

-biomedicínske inžinierstvo (diagnostika, pohyby protéz a ortéz);

-strojárenská výroba (mikroobrábanie, presné merania);

-automatizácia v domácnosti.

Významný podiel na tomto trende majú moderné materiály s pasívnymi vlastnosťami (kompozitné magnetické materiály), alebo elektroaktívnymi vlastnosťami (piezoelektrické a elektrostrikčné materiály, magnetostrikčné zliatiny a materiály s tvarovou pamäťou). V súčasnej dobe sú také materiály označované ako inteligentné materiály.

Zaoberať sa teraz budeme akčnými členmi, ktoré na vyvodenie silových účinkov na výstupe (mechanické posunutie, sila, deformácia) využívajú vlastnosti vybraných inteligentných materiálov. Takéto prevodníky môžu byť na vstupe budené elektrickým alebo magnetickým poľom, mechanickým napätím, teplom alebo svetlom. Môžeme ich označovať názvom aktuátory pevnej fázy.

Ďalej sa budeme venovať elektroaktívnym látkam, ktoré vykazujú deformáciu vyvolanú elektrickým poľom v dôsledku existencie obráteného piezoelektrického javu a sú preto využiteľné pre konštrukciu akčných členov.

Pozn.: Je vhodné pripomenúť, že v takejto látke sa môže uplatniť aj priamy piezoelektrický jav, kedy polarizácia a vznik elektrického poľa sú spôsobené mechanickým napätím, resp. deformáciou telesa. Tento ja je využiteľný pre konštrukciu senzorov vybraných mechanických veličín.

4.1.3.1 Materiály s tvarovou pamäťou

Materiály s tvarovou pamäťou sú významnou a rozvíjajúcou sa skupinou inteligentných materiálov. Ide o zliatiny, ktoré pri teplote fázového prechodu (alebo tiež transformačnej teplote) menia svojú kryštalickú štruktúru a tvar. Typickými predstaviteľmi sú zliatiny Cu-Al-Ni, prípadne Ni-Ti-Cu, Ti-Pa-Ni a mnohé ďalšie. Pri teplotách nižších než je transformačná teplota má teleso zhotovené z Cu-Al-Ni orthorhombickú štruktúru a môže byť trvalo deformované. Pri zahriatí nad transformačnú teplotu prejde do tzv. vysokoteplotnej, kubickej štruktúry a vráti sa do tvaru, ktorý malo pred deformáciou. Vravíme, že teleso má tvarovú pamäť. Efekt novej a novej aplikácie zvlášť v lekárstve (steny pri terapii kardiovaskulárnych chorôb), v zubnom lekárstve, v mikroelektromechanických systémoch (MEMS), kde sú realizované mikroaktuátory (miniaturizované akčné členy), zhotovené z materiálov s tvarovou pamäťou.

4.1.3.2 Piezoelektrické materiály

Piezoelektrické materiály menia priamo elektrickú energiu na mechanickú a naopak (priamy a obrátený piezoelektrický jav). Piezoelektrické vlastnosti majú mnohé

-kryštály bez stredu súmernosti (kremeň);

-polykryštalické, elektrickým poľom polarizované látky (PZT keramika na báze tuhých roztokov oxidov olova, zirkónu a titánu);

-kompozitné látky (nepiezoelektrická látka v istom pomere s piezoelektrickou);

-zpolarizované polyméry (polyvinildifluorid-PVDF);

-niektoré biologické látky (kosti)

Ich podstatnou výhodou je možnosť využitia oboch typov piezoelektrického javu, a to pre senzorické a aktuačné funkcie, pripadne pre rezonančný režim piezoelektrického prvku.

Podľa smeru sily pôsobiacej na vzorku z piezoelektrickej látky a usporiadania elektród môžeme pre oba piezoelektrické javy rozlišovať mechanické posunutia na šírku aj na dĺžku, priečne a strižne. Deformácia telesa v dôsledku pôsobiacej sily (mechanického napätia) môže byť v jednej osy, potom S = th/h, kde h je pôvodná hrúbka alebo dĺžka vzorky a th je mechanické posunutie v príslušnom smere.

Väzby elektrických a mechanických veličín a vlastnosti pieoelektrickej látky popisujeme pomocou rovníc, ktoré obsahujú tzv. materiálové konštanty. Najdôležitejšie z nich a niektoré ďalšie sú:

-piezoelektrická deformačná konštantna d;

-piezoelektrická napäťová konštanta g;

-koeficient elektromechanickej väzby k;

-činiteľ mechanickej kvality Q;

-akustická impendácie Za piezoelektrického telesa.

Závislosť deformácie piezoelektrického telesa S na elektrickom poli E je prejavom obráteného piezoelektrického javu

S= d .E

Vzťah je dôležitý pre posúdenie piezoelektrických aktuátorov.

Naopak vznik elektrického poľa E pôsobiacim mechanickým napätím T vyjadruje vzťah

E = -g .T

Vzťah medzi čisto mechanickými veličinami definuje rovnice

S = s.T

V ktorej S označuje deformáciu telesa, s elastický koeficient materiálu telesa a T mechanické napätie, ktoré je v tomto prípade príčinou vzniku deformácie.

Koeficient elektromechanickej väzby, vyjadrovaný obvykle mocninou k2, vyjadruje pomer akumulovanej mechanickej energie a vstupnej energie pre akumulátory, resp. opačný pomer pre senzory.

Činiteľ mechanickej kvantity Q nám pomôže posúdiť ostrosť rezonančnej krivky kmitajúceho piezoelektrického telesa.

Konečne akustická impedancia Za je parametrom charakterizujúcim prenos akustickej energie medzi dvoma prostrediami. Uplatní sa zvlášť v prípadoch, kedy výkonový ultrazvukový prevodník vysiela ultrazvukové vlny do prostredia s rôznymi akustickými impedanciami. Pre pevnú piezoelektrickú látku je

Za = (p.c)1/2

Kde p je hustota látky a c označuje elastický modul.

Piezoelektrické teleso má svoje materiálové, teda elastické, piezoelektrické a dielektrické vlastnosti závislé na polohe bodu telesa vzhľadom k súradnému systému. Hovoríme, že látka má anizotropné vlastnosti. Tieto vlastnosti sú charakterizované materiálovými konštantami.

Vzájomné súvislosti elastických, piezoelektrických a dielektrických vlastností piezoelektrickej látky vyjadrujú piezoelektrické stavové rovnice. Platí obvykle pre konštantnú teplotu a adiabatický dej. Tvorí sústavu štyroch dvojíc rovníc popisujúcich oba piezoelektrické javy. Uvedieme len jedinú stavovú rovnicu, ktorá vyjadruje javy v piezoelektrickom prostredí, namáhanom mechanickým napätím a elektrickým poľom. Vyjadruje deformáciu Sy:

Sy = seyuTu + djyEj

V tejto rovnici seyu je elastický koeficient, definovaný pre konštantné elektrické pole, djy je piezoelektrický koeficient, Tu je mechanické napätie a Ej elektrické pole. Podľa tejto rovnice je výsledná deformácia S piezoelektrickej tuhej látky spôsobená jednak mechanickým napätím T, jednak piezoelektrickým deformačným príspevkom dE elektrického poľa E. Vo vzťahu vystupujú veličiny, ktoré sú matematicky popísané tzv. tenzory (indexy y, u nadobúdajú hodnôt 1-6, index j hodnôt 1-3). Tenzormi sa môžete zaoberať pri hlbšom štúdiu na vysokej škole.

Väzba elektrickej a mechanickej energie piezoelektrického prostredia je využiteľná aj pre ďalšie aplikácie, z ktorých najvýznamnejšie sú:

-piezoelektrické rezonátory;

-zariadenia pre konverziu energie (vysokonapäťové generátory, prípadne piezoelektrické transformátory).

4.1.3.3 Piezoelektrické akčné členy

Piezoelektrické akčné členy (častejšie aktuátory) sú inteligentné prevodníky typu elektrické pole/deformácia. Mechanické výstup môžu mať obyčajne posuvný alebo rotačný. Sú využívané na presné nastavenie polohy v optických systémoch (napr. na automatické nastavenie ohniskovej vzdialenosti fotoprístrojov, ako pohony videokamier), v palivových vstrekovacích systémoch či v systémoch aktívneho potlačovania vibrácií a hluku. Aplikácií je však omnoho viac.

4.1.3.3.1 Piezoelektrické akčné členy s posuvným pohybom

Najjednoduhším akčným členom (aktuátorom) s posuvným pohybom je piezoelektrická doštička (alebo tyčinka), opatrená elektródami. Napätie U privedené do elektródy vytvorí medzi nimi pole s intenzitou E3 = U/h (h je hrúbka) a doštička sa zásluhou piezoelektrického koeficientu d33 zdeformuje v smere X3. Výsledná jednoosová deformácia:

S3 = Δh/h = d33E33

Mechanické posunutie v smere X3 je potom dané vzťahom

Δh = d33U

Mechanické posunutia piezoelektrického akčného členu môžu byť modelované matematickými vzťahmi a výkonnými softwarovými prostriedkami (ANSYS).

Veľkosť mechanického posunutia závisí na sile generovanej akčným členom. Nezaťažený piezoelektrický akčný člen má najväčšie posunutie Δhmax³, naopak akčný člen zaťažený tak veľkou silou, že posunutie je nulové, vyvíja blokovaciu silu Fb.

Mechanické posunutie jednoduchého piezoelektrického akčného člena je opakovateľné s veľkou presnosťou, je však veľmi malé (v rade nm až µm podľa použitej piezoelektrickej látky, resp. podľa jej piezoelektrickej konštanty).

Zväčšenie mechanického posunutia piezoelektrického akčného členu sa dá dosiahnuť niekoľkými spôsobmi. Najrozšírenejšie je zväčšenie získané sčítaním jednotlivých posunutí za sebou radených jednoduchých akčných členov. Vzniká mnohovrstevný akčný člen (multilayer). Výsledné posunutie n doštičiek s posunutím Δ1 pri každej dáva celkové posunutie Δcelk = n Δ1. Typická hrúbka jednej doštičky, či skôr vrstvy, je 80µm. Doštičiek môže byť niekoľko desiatok a tvoria tak teleso akčného člena. Malá hrúbka jednej doštičky je istou výhodou, keďže riadiace napätie môže byť nízke a pritom dosiahnuté elektrické pole môže byť vysoké.

Piezoelektrické akčné členy typu multilayer sú využívané napr. v moderných vstrekovacích systémoch spaľovacích motorov alebo v konštrukciách akčných členov pre letecký priemysel.

Ďalším významným usporiadaním je piezoelektrický akčný člen typu bimorf. Ten využíva ohybové deformácie votknutého nosníka, zložené z dvoch materiálov. Bimorfy vykazujú relatívne veľké posunutia, až desatiny mm.

Iným, skôr neobvyklým spôsobom zväčšenia mechanickej deformácie piezoelektrického akčného člena je použitie hydraulického prevodu. Piezohydraulický akčný člen je zložený z piezokeramického valca (PZT), naplneného nestlačiteľnou kvapalinou. Radiálne elektrické pole valca je vytvorené pomocou elektród, ktoré sú nanesené na vonkajšom a vnútornom povrchu valca. Pri aktivácii piezoelektrického valca dôjde k jeho radiálnej deformácii a kvapalina v objeme valca vytlačí pracovný piest menšieho priemeru z valca. Výsledná sila a mechanické posunutie piestu zodpovedajú hydraulickému prevodu systému. Nevýhodou je pomalšia odozva a technologické problémy spojené s tesnosťou piestu.

Príklady použitia piezoelektrických akčných členov (aktuátorov) s posuvným pohybom

Piezoelektrické akčné členy majú niektoré výnimočné vlastnosti, ktoré sa nedajú dosiahnuť pri klasických akčných členoch. Je to predovšetkým vysoká presnosť nastavenia posunutia (až 0,01 µm), veľmi rýchla odozva na riadiaci signál (napr. 50 µs) a generovaná sila (až 1000 N) pri pomerne malom riadiacom napätí (100 V). Technické parametre, relatívna jednoduchosť a vysoká spoľahlivosť sú dôvody pre početné a špeciálne aplikácie piezoelektrických aktuátorov.

a) Aktívne potlačovanie vibrácií

Cieľom aktívneho potlačovania vibrácií mechanických systémov je zmenšenie amplitúdy vibrácií a potlačenie hluku (zmenšenie akustického tlaku vyžiareného do okolia vibrujúceho telesa). Nežiaduce vibrácie a hluk doprevádzajúci ľudskú činnosť predstavujú významnú ekologickú záťaž. Najčastejšie užívané metódy sú založené na pasívnom tlmení vibrácií a hluku, pri ktorom sa vibrácie a hluk redukujú tým, že sa ich energia pohlcuje a mení na teplo. Moderné prístupy k riešení problému využívajú technologický pokrok v oblasti inteligentných materiálov, výpočtovej techniky a metód riadenia. Ide teda o príklad mechatronického systému s vysokou mierou inteligencie.

Najjednoduchším spôsobom aktívneho potlačovania vibrácií telies je využitie poloaktívneho piezoelektrického akčného člena (aktuátora), namáhaného mechanicky vibrujúcim telesom. Napätie generované piezoelektrickým meničom privádzame na elektrickú záťaž RL, ktorá spolu s kapacitou meniča tvorí ladený obvod. Energia sa v rezistore R mení na teplo.

Aktívne riadenie vibrácií so spätnou väzbou je zrejme najrozšírenejším typom potlačovania vibrácií.

Sústava sa skladá z vibrujúcej dosky m, ktorá má byť utlmená, telesa akcelerometra so seizmickou hmotnosťou mA, obvodu spätnej väzby so zosilovačom a filtrom a z akčného člena (piezoelektrického aktuátora). Elastické vlastnosti uloženia dosky sú modelované pomocou pružiny s konštantou k1. Akcelerometer reaguje na posunutie medzi jeho hmotnosťou mA a doskou, ktorá kmitá v smere osy y. Signál akcelerometra je filtrovaný a spracovaný tak, aby sila vyvodená akčným členom (piezoelektrickým aktuátorom) pôsobila opačným smerom, než je konečné posunutie dosky. Výsledné posunutie dosky je potom takmer konštantné, amplitúda kmitom dube výrazne nižšia. Potlačenie však nie je ideálne. Dôvodom je skutočnosť, že charakteristika senzora nie je plochá (musí byť upravená filtrom). Rovnako zosilenie v obvode spätnej väzby musí byť také, aby akčný člen vyvolal silu presne zodpovedajúcu sile vyvolanej zdrojom kmitov. V praxi je výsledné potlačenie vibrácií asi 10 % pôvodnej amplitúdy v pásme 10-40 Hz. Pretože situáciu ďalej komplikujú vlastné mechanické kmity sústavy je dosiahnutie potlačenia na 1 % považované za nemožné. Riadiaci systém môže byť komplikovaný a obtiažne zrealizovateľný.

Riešením, ktoré odstraňuje nedostatky aktívneho riadenia vibrácií so spätnou väzbou, je sústava s názvom Feed forward control. Vzhľadom na svoju zložitosť a nárokom na riadiacu jednotku nie je však táto sľubná metóda v praxi rozšírená.

Výber vhodnej metódy potlačenia vibrácií a hluku závisí na type zdrojov vibrácií, na intenzite nežiaducich prejavov aj na prostriedkoch, ktoré máme k dispozícii.

S ideou aktívneho tlmenia nežiaducich vibrácií sa môžeme stretnúť v prípadoch, kedy uloženie citlivých prístrojov vyžaduje minimálne vibrácie nosnej dosky, v leteckých konštrukciách (tlmenie motorov listov rotora vrtuľníku) a pod.

b) Miniatúrne polohovacie zariadenia

Polohovacie zariadenia s nano- a mikrometrickými posunmi sú klasicky riešené s použitím spätnej väzby, ktorá je realizovaná pomocou optického alebo kapacitného snímania polohy. S cieľom dosiahnutia požadovanej hodnoty posunutia je signál senzora polohy porovnávaný s požadovanou hodnotou a následne je riadený piezoelektrický akčný člen Niektoré laboratóriá však prichádzajú s myšlienkou zjednodušenia klasického riadenia so spätnou väzbou tým, že sa využije aktívne riadenie elastických vlastností inteligentných (piezoelektrických) materiálov. Táto metóda je založená na súčasnom využití priameho a prevráteného piezoelektrického javu, ktorá výsledne ovplyvňuje elastické vlastnosti piezoelektrika. Pomocou metódy aktívneho riadenia elasticity je možné veľmi efektívne vytvoriť autodetekčný inteligentný aktuátor, ktorý bude eliminovať efekty fluktuácií mechanických stimulov na posunutie aktuátora. Metóda sa dá uplatniť pre riadené potlačenie akustického vlnenia pomocou elastickej membrány s piezoelektrickými vlastnosťami.

c) Riadené obtekanie profilov telies

Zmena profilu časti krídla či natočenia listu rotora vrtuľníka pomocou piezoelektrických akčných členov (aktuátorov) s mechanickým prevodom ovplyvní letové vlastnosti danej fázy letu. Malá deformácia piezoelektrického člena je mechanicky zväčšená a využítá pre dynamické ovplyvnenie prúdenia vzduchu okolo profilu krídla. Turbulentné prúdenie tak môže byť v obmedzenej čati povrchu profilu premenené na laminárne, čím sa zmenia vztlakové pomery a poklesne aerodynamický odpor telesa. Riadené obtekanie profilu krídla tak zlepšuje dynamiku letu v oblasti turbulencií okolitých vzdušných vrstiev. Systém aktívneho riadenia je zložený z niekoľkých desiatok piezoelektrických akčných členov typu multilayer s mechanicky zväčšeným posunutím. Mechanické posunutie Δh piezoelektrického aktuátora spôsobí ohybovú deformáciu pružnej lamely a rotačný pohyb aktívnej lamely s malýv uhlom natočenia. Výsledné mechanické posunutie ΔH na konci aktívnej lamely je v rade 2-3 mm. Aby bolo dosiahnuté dostatočné silové účinky pracuje piezoelektrický akčný člen v polovici mechanického posunutia Δhmax. Aktívne lamely kmitajú kmitočtom až desiatok Hz.

d) Nastavenie polohy snímača hlavy videorekordérov

Poloha snímacej hlavy voči záznamovej stope a presnosť jej nastavenia má vplyv na kvalitu obrazu pri rôznych rýchlostných režimoch prehrávania či záznamu. Použité je v piezoelektrických akčných členoch typu bimorf zložitej konštrukcie (Sony).

e) Zlepšenie jazdného komfortu pomocou inteligentných tlmičov

Inteligentné tlmiče automobilu menia svoju tuhosť v závislosti na charaktere vozovky. Prejazd nerovnosti je monitorovaný piezoelektrickým senzorom uloženým v tlmiči. Akčným členom nastavujúcim ventily v hydraulickom systéme tlmiča je piezoelektrický akčný člen typu multilayer (Toyota).


Vlastnosti piezoelektrického akčného člena (aktuátora) s posuvným pohybom

Piezoelektrický akčný člen je porovnávaný s najrýchlejším konvenčným elektromechanickým akčným členom, ktorým je elektrodynamický prevodník s posuvným pohybom.

Mechanické posunutia piezoelektrického akčného člena v rade nm až µm zodpovedajú riadiacemu elektrickému poľu, sú samozrejme ťažko merateľné, zvlášť, keď vyžadujeme vyšetrenie mechanickej odozvy v širokom teplotnom intervale. Takéto merania sa prevádzajú najčastejšie pomocou laserového interferometra a optického kryostatu, v ktorom je regulovaná teplota.


4.1.3.3.2 Piezoelektrické akčné členy s rotačným pohybom – ultrazvukové motory

Ultrazvukové piezoelektrické motory sú akčné členy s rotačným pohybom s priamou premenou elektrickej energie na mechanickú. Predstavujú moderné riešenia elektrického akčného člena nízkeho výkonu tam, kde sa nedajú, napr. z konštrukčných dôvodov, klasické motory s elektromagnetickou premenou energie úspešne realizovať. Bolo navrhnutých niekoľko riešení piezoelektrických motorov, najčastejšie sa však využíva princíp vytvorenia postupnej elastickej vlny v statore, zhotovenom z piezoelektrického materiálu (keramiky PZT). Stator s tvarom disku je opatrený segmentovo usporiadanými dvojicami elektród. Postupné budenie jednotlivých piezoelektrických elementov dvoma fázovo posunutými signálmi vytvárajú v statore pozdĺžne a priečne elastické vlny, z ktorých interakcií vzniká postupná elastická vlna. Elementárne častice na povrchu statora pritom vykonávajú eliptický pohyb a pôsobia na trecie medzikružia a rotor. Rotor s definovaným prítlakom sa potom pohybuje v smere, ktorý je daný pohybom elastickej vlny.

Piezoelektrický motor sa vyznačuje malými rozmermi, hmotnosťou a malým zotrvačným momentom rotora. To, spolu s princípom premeny energie, spôsobuje veľmi malú časovú odozvu na riadiaci signál. Piezoelektrický motor sa dá navrhnúť aj pre nízke otáčky, takže odpadá prevodovka. Jeho konštrukcia však vyžaduje definované trecie pomery medzi statorom a rotorom, čo ukazuje na nižšiu životnosť. Motor preto nie je určený pre trvalý chod.


4.1.3.3.3 Piezoelektrické rezonátory

Piezoelektrické rezonátory využívajú priamy a obrátený piezoelektrický jav. Rezonátor kmitá mechanickými kmitmi, ktoré sú určené tvarom a rozmermi rezonátora, hustotou a elastickými vlastnosťami použitej piezoelektrickej látky. Kmity sú vybudené slabým harmonickým elektrickým poľom

E = Emsinωt

ktoré vytvoríme malým harmonickým napätím na elektródach rezonátara. Najväčšiu amplitúdu mechanických kmitov dosiahneme vtedy, ak sa mechanická uhlová rýchlosť ωmech číselne rovná kmitočtu iezoelektrického rezonátora. Pretože môže rezonátor ako mechanické teleso s niekoľkými stupňami voľnosti kmitať rôznymi typmi (módmi) kmitov a každý typ kmitov má základné a vyššie harmonické, vykazuje piezoelektrický rezonátor celé spektrum kmitov rôznych amplitúd a kmitočtov. Využívaný je obvykle len jeden rezonančný kmitočet piezoelektrického rezonátora.

Piezoelektrický rezonátor, predstavujúci dnes diskrétnu elektronickú súčiastku neveľkých rozmerov, má najčastejšie tvar kruhovej doštičky, pravouhlej doštičky alebo tyčinky zhotovenej z piezoelektrického monokryštálu či piezoelektrickej keramiky. Kmitajúci rezonátor je zvláštny tým, že má elektrickú impedanciu silne závislú na kmitočte. Pre potreby začlenenia takéhoto prvku do elektronických obvodov oscilátorov, filtrov alebo senzorov bol odvodený elektrický náhradný obvod tvaru dvojpólu.

Prvky Ln, Cn a Rn predstavujú tzv. dynamické prvky elektrického náhradného obvodu, rčujúci sériový rezonančný kmitočet obvodu. Ten je veľmi blízky rezonančnému kmitočtu rezonátora, pri ktorom je imaginárna časť impedancie nulová. Prvky Ln a Cn rešpektujú piezoelektrické a elastické vlastnosti rezonátora, Rn vyjadruje jeho straty. C0 je statická kapacita závislá od permitivity piezoelektrickej látky, ploche elektród a látke medzi nimi.

Piezoelektrické rezonátory majú pre svoje kmitočtové selektívne vlastnosti a stabilný kmitočet uplatnenie v rádioelektronike a vo výpočtovej technike. S/ tiež významné ako senzory precujúce v rezonančnom režime (biosenzory), prípadne ako ultrazvukové prevodníky a perspektívne piezoelektrické transformátory.


4.1.3.3.4 Ultrazvukové výkonové prevodníky

Ultrazvukové výkonové prevodníky sú v podstate piezoelektrické rezonátory kmitajúce na relatívne nízkych kmitočtoch (desiatkach kHz) s veľkou amplitúdou kmitov. Sú využívané vo funkcii vysielača či prijímača ultrazvukového akustického vlnenia a predstavujú podstatnú časť prístrojov pre detekciu vo vodnom prostredí (sonar) alebo diagnostiku biologických tkanív (ultrazvukové lekárske zobrazovače). Usporiadanie ultrazvukového prevodníka je ovplyvnené nutnosťou akustického prispôsobenia prevodníku a prostredia, ktorým sa majú ultrazvukové vlny šíriť.

Zdrojom ultrazvukových kmitov je najčastejšie piezokeramický rezonátor. Použitá piezokeramika PZT má činiteľ akosti Q~80 a pomerne nízku hodnotu Curierovej teploty Tc (Tc = 235-365°C v závislosti od zloženia keramiky). Tc je teplota, pri ktorej prekročení sa nenávratne strácajú piezoelektrické vlastnosti. Istou nevýhodou je vysoký merný akustický odpor pc. Ten je príčinou obtiažneho impedančného prispôsobenia na niektoré priľahlé prostredia, napr. na kvapalinu. Nevhodným prispôsobením sa môže znížiť citlivosť získaná veľkým činiteľom elektromechanickej väzby keramiky. V zásade môže byť ultrazvukový piezokeramický menič zhotovený do tvaru doštičky alebo tvaru valca. Uvažovaná doštička má elektródy v rovine X1X2 a smer polarizácie P povnobežný so smerom budiaceho elektrického poľa E3. Takáto doštička kmitá hrúbkovými kmitmi, ktorých rezonančný kmitočet je daný hrúbkou doštičky h. Kmity vybudia v priľahlom prostredí akustické vlnenie s oblasťami v ktorých dochádza k zvýšeniu tlaku, striedajúcimi sa s oblasťami so zníženým tlakom. Tlak vznikajúci pri šírení ultrazvukovej vlny nazývame akustickým tlakom. Akustický tlak je úmerný mernej akustickej impedancii z a akustickej rýchlosti v:

p = zv

V tomto vzťahu je p harmonicky premenný akustický tlak, kde je amplitúda akustického tlaku a v = V sinωt je akustická rýchlosť s amplitúdou V = ωA, (A je amplitúda výchylky).

Ultrazvukový prevodník využívajúci piezoelektrické prvky môže vykonávať, ako sme predtým naznačili, aj senzorickú funkciu. Môže zachytávať ultrazvukové vlny odrazené od akustických rozhraní, teda rozhraní látok s rozdielnymi akustickými vlastnosťami (akustickými impedanciami) a meniť ich na elektrické signály. Prevodníky či skupina prevodníkov z pravidla pracuje v režime impulzného vysielania a prijímania akustického vlnenia (tlaku). Následne počítačové spracovanie zmesi elektrických signálov a zobrazenie prostredia a ich rozhrania je realizované procesorom systému. Najvýznamnejším uplatnením ultrazvukových výkonných prevodníkov badáme v lekárstve. Ultrazvukové lekárske zobrazovače dnes dokážu vytvoriť na monitore 3D obraz štruktúry orgánov ľudského tela. Pretože ide o neivazívnu a telu neškodnú metódu, je jej dávana v mnohých prípadoch prednosť pred vyšetrením pomocou RTG.


4.1.3.3.5 Piezoelektrický transformátor

Piezoelektrický transformátor mení vstupné napätie na vysoké napätie výstupné. Využíva pritom energetické premeny, založené na princípe dvoch piezoelektrických javov. Transformátor je tvorený piezokeramickou doštičkou s dvoma časťami, líšiacimi sa umiestnením elektród a smerom polarizácie P1 a Pľ.

Harmonické napätie U1 privedené na vstup časti dĺžky L1 vybudí v doštičky kmity s dĺžkou vlny rovnou dĺžke celej doštičky. Na každej z oboch častí transformátora sa objaví polovičná dĺžka vlny. Mechanickým napätím namáhaná časť s dĺžkou L2 mení túto deformáciu na napätie U2. Transformačný pomer závisí na koeficientoch väzby oboch častí k31 a k33, činiteľovi mechanickej akosti Q, pomere dĺžky L2/h, ale aj na elastických koeficientoch oboch častí s33 a s11:

U2/U1 ≈ k31k33Q L2/h

Ide o vynikajúcu ukážku premeny elektrickej energie na mechanickú a opäť na elektrickú.

Transformátor neobsahuje žiadne vinutia a môže byť navrhnutý ako tenká, veľmi kompaktná elektronická súčiastna. Používa sa ako zdroj vysokého napätia displejov laptopov alebo farebných TVP.


4.2 Pneumatické akčné členy


Pneumatické akčné členy prevádzajú tlak na silu alebo výchylku. Podľa pohybu výstupného prvku sa dajú rozdeliť na posuvné, kyvné a rotačné. V oblasti ovládacej techniky je zrejme najpoužívanejším akčným členom dvojpolohový piestový pohon. Jeho prednosťou je veľký zdvih, značná výstupná sila či moment, robustnosť a spoľahlivosť. Tieto pohony pracujú ako dvojčinné alebo jednočinné s vratnou pružinou. Zaujímavé sú pohony bezpiestovnicové, určené pre náročnejšie automatizačné úlohy. Bezpiestovnicový pohon môže mať magnetický prenos sily medzi piestom a vonkajším unášačom, ohybnou piestnicov alebo mechanické spojenie doplnené „zipsovou“ uzávierkou pre aj za piestom. Firma Festo ponúka bezpiestnicové pohony s priemerom piestu 18-40 mm a zdvihom 10-5 000 mm s vedením v guličkových obežných púzdrach s hydraulickým alebo elektrickým tlmením nárazu. Presnosť polohy 0,1 mm/m a pomerne veľkej rýchlosti prestavovania (do 2m/s) sú vhodnými predpokladmi pre uplatnenie bezpiestnicových akčných členov v priemysle. Ich podstatnými výhodami sú krátka dĺžka zástavby(daná konštrukciou bez vysunutej piestnice), výhodné zachytenie radiálnych síl a možnosť vonkajšieho brzdenia.

Polohovacie pohony umožňujú presné nastavenie polohy. Vykonávajú posuvný (translačný) pohyb. Konštrukčne sa vyznačujú priechodnou piestnicou, priemerom piestu 30-42 mm a zdvihom 100.500 mm. Ich vedenie je v guličkových obežných púzdrach, majú tiež elektrický alebo hydraulický tlmič nárazu a vonkajšie analógové, výnimočne digitálne odmeriavanie. Typické časy polohovania krátkeho zdvihu sú v rozmedzí 0,4 s (vodorovne)-0,7 s (zvisle). Prevádzkovým médiom je filtrovaný nemazaný stlačený vzduch s tlakom 4.8 barov. Pohon môže byť zaťažený max. hmotnosťou 45 kg (vodorovne) a 15 kg zvisle.

Priamočiare pohony pre montážnu a manipulačnú techniku s vysokou nosnosťou a zdvihom do 2 000 mm sa byrábajú s vonkajším alebo integrovaným odmeriavaním (Festo).

Pneumatické akčné členy s kývavým pohybom (kývacie akčné členy) majú prevod priamočiareho pohybu na kyvný realizovaný pomocou pastorka a ozubeného hrebeňa, pomocou viacchodnej šrúby a matice (ktorá je výstupným elementom členu), alebo realizovaný tlakom média priamo na ovládaný otočný člen pohonu (krídlový kyvný pneumatický pohon). Krídlový pohon s typickým rozsahom nastavenia uhlu kyvu 0-270°, uhlom kyvu 272° býva vybavený analógovým integrovaným odmeriavaním polohy. Pre minimalizáciu trenia je hriadeľ s kyvným krídlom uložený v guličkových ložiskách. Iným príkladom je dvojčinný pneumatický kyvný pohon s voliteľným uhlom kyvu 90°, 180° a 360°. Pohon je založený na prevode pomocou pastorka a ozubeného hrebeňa. Snímanie polohy je uskutočnené pomocou približovacieho indukčného snímača, tlmenia v koncových polohách je voliteľné. Maximálnou frekvenciou kyvov pri tlaku média 6 barov je 1,2 Hz, maximálny krútiaci moment 9 Nm.

Mnohé úlohy môžu využiť vlastností pneumatickej kyvnej jednotky s chápadlom. Tá predstavuje kombináciu presného paralelného chápadla a kyvného modulu.

Kyvné pohony sú vhodnými ovládacími akčnými členmi pre spracovateľský priemysel aj iné priemyslové aplikácie. Okrem zmienených pneumatických akčných členov sa v automatizačnej technike uplatňuje veľké množstvo pneumaticky ovládaných ventilov. Tlakom vzduchu na vstupe A alebo B pneumatického akčného člena sa otvára alebo zatvára ventil ovládajúci prietok média. Akčný člen má podobu posuvného valcového telesa s kužeľovým kolíkom, ktorý svojim pohybom v ose ventilu prietočné množstvo mení. Iné usporiadanie predstavuje elektricky riadený akčný člen s reversibilným synchónnym motorom, ktorý je spojený prostredníctvom planetovej prevodovky a guličkovej šrúby s ventilom. Motor môže byť odpínaný a chránený tak proti preťaženiu v závislosti na dosiahnutom momente či polohe. Podobnou konštrukciou sa vyznačuje pneumatický akčný člen, aktivovaný nie elektrickým motorom, ale dvojčinným valcom.


4.3. Hydraulické akčné členy

Hydraulické akčné členy sú konštruované ako piestové dvojčinné, proporcionálne či nespojité. Vyznačujú sa vysokým pracovným tlakom (desiatky MPa) a veľkými vyvodzovanými silami či momentmi pri prijateľných dobách prestavenia. Klasickým hydraulickým akčným členom je hydraulický valec, do ktorého vháňa čerpadlo tlakový olej. Hydraulickým prevodom získame veľké vysunutie piestu a vysokej výstupnej sily. Aplikácie známe z dopravnej techniky (sklápanie korby nákladného automobilu, pohyby pracovných nástrojov stavebnej techniky, letecké podvozky a iné). V súčasnej dobe sú parametre výstupného pohybu, ako sú výsledná sila, presnosť nastavenia polohy a rýchlosť jej dosiahnutia, riadené elektro-hydraulickými servopohonmi.

Servopohony môžu byť obyčajne elektrické, pneumatické a elektrohydraulické. Ich úlohou je prevod riadiaceho signálu od riadiacej jednotky na pohyb tak, aby regulačný prvok regulačného člena zaujal polohu zodpovedajúcu riadiacemu signálu. Veľmi rozšírená je automatizačnej technike regulácia ventilov a regulačných klapiek. Pri základných druhoch regulačných členov sa dá najčastejšie stretnúť s pohybom zdvihovým (pri regulačných ventiloch) a kyvným (pri klapkách, guľových ventiloch a ventiloch s otočným kužeľovým kolíkom). Konštrukčne tvoria servopohony spolu s regulačnými regulačný ventil, doplnený z pravidla ďalšími prevodníkmi (pre spätné väzby, signalizáciu stavov a iné).
V obvodoch s pneumatickými či hydraulickými členmi sa ako riadiace prvky uplatňujú elektromagnetické ventily. Sú to akčné členy, ktoré na základe vonkajšieho elektrického signálu ovládajú prívod plynných a kvapalných médií k ďalším prvkom a zariadeniam. Elektromagnetické ventily pracujú dvojpolohovo. Ich kľudový stav môže byť „ventil otvorený” alebo „ventil zavretý”.
4.4 Porovnanie elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčných členov
Elektromechanické akčné členy majú mnoho výhod, pre ktoré sú uplatňované aj v elektrohydraulických a elektropneumatických jednotkách. Tie potom predstavujú pokročilé mechatronické systémy s vlastnosťami, ktoré sú lepšie, než majú pôvodné klasické akčné členy. Podstatnými výhodami elektromechanických akčných členov sú:
·jednoduché napájanie akčného člena káblami;
·akčný člen sa dá ľahko riadiť, a to aj veľmi zložitými algorytmami, riadiace procesory sú programovateľné a dostupné;
·jednoduchá komunikácia riadiacej jednotky s nadradeným procesorom pomocou zbernice;
·elektrická energia je čistá;
·závady sa dajú relatívne ľahko diagnostikovať a opraviť;

Je však potrebné uviesť aj niektoré nevýhody:

·zložitejší prevod rotačného pohybu na žiadaný pohyb, menší počet možností, ako získať žiadaný pohyb;
·zložitejšia konštrukcia akčného člena s nízkou výstupnou rýchlosťou a veľkým výstupným momentom
·akčný člen a jeho napájanie vychádzaju drahšie pre prostredie s nebezpečím požiaru

Z elektromechanických akčných členov sú v automatizačnej technike najrozšírenejšie elektro- magnetické ventily, prvky elektrických prístrojov a zariadení a elektrické motory. V oblasti elektrických motorov sa dajú za najvýznamnejšie považovať frekvenčne riadené asynchrónne a synchrónne motory s priamym riadením momentu alebo vektorovým riadením. Tieto členy majú výborné dynamické vlastnosti, vhodný priebeh momentových charakteristík a schopnosť zaujať dostatočne presnú polohu rotora. Konkurujú rovnakosmerným motorom aj tam, kde je požadovaná vysoká presnosť nastavenia polohy, velká zaťažiteľnosť a malé rozmery. Klasické servopohony s rovnakosmernými motormi s permanentnými magnetmi sú do istej miery nahradzované motormi s elektronickou komutáciou. Rozšírenie dosahujú krokové motory. Objavujú sa integrované riešenia, kedy riadiaca jednotka plní funkciu riadenia pohybu aj programovateľného automatu. Takéto riešenie umožňuje nastavovať nielen parametre pohonov, ale programovať aj pohybové úlohy. Existujú aj riešenia s dvomi procesorovými jednotkami CPU. Prvý procesor riadi servopohony a stará sa o ich synchronizáciu, druhý zastává funkciu PLC. Všetky riešenia majú široké možnosti komunikácie (Profibus, CC-link, DeviceNet). K riadiacej jednotke sa dajú pripojiť ako synchrónne, tak asynchrónne motory. Realizovaná je rýchlostná, prúdová a polohová spätná väzba s inkrementálnymi alebo absolútnymi snímačmi, prípadne resolvermi.

Pneumatické akčné členy s priamočiarym pohybom sú v automatizácii veľmi užívaným prvkom, aj keď sa zdá, že ich pozícia slabne obzvlášť v aplikáciách, ktoré vyžadujú presné nastavenie polohy.
Hlavné výhody pneumatických akčných členov sú nasledujúce:
·relatívna jednoduchosť a s tým súvisiace menšie obstarávacie náklady;
·členy môžu pracovať v prostredí so zvýšenou teplotou;

Napriek tomu môžu byť nevýhody závažné:

·z dôvodu stlačiteľnosti vzduchu je obtiažne dosiahnuť presnú požadovanú polohu;
·nedajú sa dosiahnuť veľké sily pri nízkom tlaku vzduchu
·ďalšia odozva na riadiaci signal

Hydraulické akčné členy konkurujú elektromechanickým akčným členom najmä pomerom hmotnosti a výkonu, možnosťou dosiahnutia veľkých silových pomerov, spoľahlivosťou a možnosťou realizovať prenos energie pri priestorovo zložitých mechanizmoch. Ich uplatnenie nájdeme pri dopravných a stavebných strojoch, poľnohospodárskej technike, lisoch, manipulátoroch a robotoch. Hydraulické pohony tiež zaznamenávajú tendenciu integrácie riadiacich funkcií a akčných členov s jednotkou pohonu. Elektronický modul integrovaný do akčného člena (napr. ventilu) spracováva signály snímačov polohy alebo tlaku v spätnej väzbe a môže byť pomocou zbernice Profibus alebo CAN pripojený na nadradenú riadiacu jednotku.

Hlavnými výhodami hydraulických akčných členov sú:

·výborný pomer hmotnosti a výkonu;
·veľká variabilita prevodu rýchlostí a pohybov medzi hydrogenerátorom a hydraulickým motorom;
·schopnosť kombinovať hydraulický prevod s inými druhmi prenosu energie

Ako hlavné nevýhody sú uvádzané komplikácie s olejovým hospodárstvom (nečistoty, nebezpečenstvo požiaru) a relatívne dlhá doba odozvy na riadiaci signál.

S výnimkou piezoelektrických akčných členov sa môžu elektromechanické, pneumatické a hydraulické akčné členy nazvať konvenčnými.

Všeobecne je možné pozorovať vývoj integrovaných akčných členov pracujúcich ako servomechanizmy so schopnosťou komunikácie po zbernici, či bezdrôtovo s nadradeným procesorom.

4.5 Inteligentné mikroelektromechanické systémy (MEMS)

Požiadavky na špecifické funkcie a miniaturizáciu elektromechanických systémov, vrátane ich začlenenia do integrovaných elektronických obvodov viedli k vytvoreniu mikroelektro-mechanických systémov (MEMS) ako čipu. V ceste však stála obtiažna zlúčiteľnosť oboch technológií, tj. technológie piezoelektrických materiálov a kremíkové (Si) technológie integrovaného obvodu. Jednou z mála možností riešenia je nanesenie tenkej piezoelektrickej vrstvy (typicky 1-3 µm PZT), napr. metódou naprašovania (sputering) na Si substrát opatrený izolačnými a ďalšími vrstvami. Tenká PZT vrstva má elektromechanické vlastnosti umožňujúce realizovať na čipe miniaturizované senzory a aktuátory. Okrem oblastí s elektromechanickými vlastnosťami sú na čipe vytvorené číslicové, prípadne analógové obvody s veľkou hustotou integrácie zaisťujúcej signálové operácie, riadenie aktuátorov a senzorov a ďalšie funkcie inteligentného obvodu (vlastná diagnostika, autokalibrácia, komunikácia s nadradeným procesorom a pod.)

Vlastnosti elektromechanickej aktívnej tenkej vrstvy PZT, obzvlášť jej objemová deformácia priloženým elektrickým poľom, sú laboratórne overované dvojlúčovým laserovým interferometrom, ktorý dokáže zmerať objemovú deformáciu v ráde nm a eliminovať pritom vplyv ohybovej deformácie vzorky.

Požadovaná funkcia MEMS musí byť rešpektovaná už pri návrhu integrovaného mikrosystému. Návrh sa prevádza za pomoci rozsiahlych softwérových nástrojov.

Z predchádzajúceho vyplýva, že MEMS je zákaznícky orientovaným multifunkčným mikrosystémom s veľkou budúcnosťou. V súčasnoti sú vyrábané mnohé druhy MEMS. Dostupné sú napr.: MEMS obsahujúce snímače zrýchlenia (ADXL202E, čo je dvojosí snímač s analógovým aj digitálnym výstupom PWM v osi X a Y) a snímače zrýchlenia vo funkcii gyroskopu (ADXRS300, ktorý predstavuje snímač uhlovej rýchlosti v rozsahu ±300º/s). Spolupracujú s mikropočítačom, prípadne s nadradeným počítačom v hierarchickom usporiadaní a sú využiteľné napr. pre snímanie polohy, uhlov naklonenia plošiny, prípadne ako aktivátory airbagov a súčasne napínačov bezpečnostných pásov v automobiloch a pod.

Významné sú aplikácie MEMS v automobilizme, letectve, kozmonautike a vojenskej technike.

5. Riadenie mechatronických sústav, automatizácia a riadiace systémy

5.1 Význam riadiacej techniky pre mechatroniku

Vlastnosti, kvalitu mechatronických sústav a systémov určuje spôsob ich riadenia. O dlhodobej spoľahlivosti, prevádzkovej schopnosti a servisných nákladoch rozhoduje riešenie ich technickej diagnostiky. Pre obidva odbory sa obvykle používa súhrnné pomenovanie riadiaca technika alebo automatické riadenie. Je jej venovaná táto a nasledujúca kapitola (5 a 6). Riadiaca technika je síce osobitým odborom, ale väčšinou je vnímaná ako súčasť odboru automatizácia alebo automatizačná technika. Niekedy je zasa termín automatizačná technika alebo automatizácia vnímaný ako rovnocenné pomenovanie (synonymum) pre riadiacu techniku. Nie je našim cieľom diskutovať o rozdieloch a súvislostiach medzi obidvomi termínmi. Príjmime automatizáciu ako odbor historicky starší, tematicky širší, ktorý „zastrešuje“ aj odbor riadiacej techniky.

Najprv sa veľlmi stručne zoznámime so súčasným stavom automatizácie a so základnými pojmami a princípmi riadiacej techniky. Je to univerzálny odbor. Mechatronika je len jedným z odborov, kde je aplikovaná. Preto budeme v texte hovoriť len o riadení a súvislosť s riadením mechatronických sústav tu nebudeme výslovne uvádzať, budeme ju ale mlčky predpokladať. Základné pojmy a princípy budú v tejto úvodnej kapitole vysvetlené veľmi stručne a heslovite, k niektorým sa neskôr vrátime podrobnejšie.

Fyzikálne prostriedky, ktoré riadenie realizujú sa obvykle nazývajú riadiace systémy, niekedy skrátene len systémy. Sú to univerzálne prístroje, dnes realizované takmer výhradne na elektronickom princípe – s využitím číslicovej techniky a najmodernejších mikroelektronických súčiastok, programovateľných logických polí, pamätí, mikroprocesorov, mikroradičov, signálových a komunikačných procesorov – súhrnne označovaných ako procesory alebo procesorové obvody, ktoré sú „srdcom“ riadiaceho systému. Väčšina súčasných riadiacich systémov obsahuje viac procesorov – sú riešené ako multiprocesorové.

Z použitia mikroprocesorov vyplýva, že riadiace systémy sú programovateľné. Ich program realizuje väčšinu funkcií riadiaceho systému. Niektoré sú realizované vnútorným programom procesora, ktorý je pre užívateľov obvykle nedostupný a systém sa javí ako uzavretý. Väčšina riadiacich systémov je ale riešena tak, aby svoje programovanie sprístupnila svojim užívateľom – sú užívateľsky programovateľné. Vnútorný program (niekedy sa používa označenie systémový program alebo firmware) vytvára súbor inštrukcií pre programovanie a spoločné základné funkcie systému – systémové, diagnostické a komunikačné služby. To dovoľuje veľkú prispôsobiteľnosť riadiacich systémov pri riadení najrôznejších sústav a pri riešení rôznorodých úloh. Prispôsobiteľnosť vyplýva aj zo stavebnicového prevedenia väčšiny riadiacich systémov. Podporujú ju aj komunikačné funkcie riadiacich systémov a kompatibilita s priemyslovými zbernicami a komunikačnými štandardmi. Tak je možné rôznorodé systémy navzájom spájať do sietí a vytvárať z nich rozsiahlejšie distribuované systémy, pripájať k nim moduly vzdialených vstupov a výstupov a špecializované prístroje. Existuje mnoho typov riadiacich systémov. V tejto kapitole uvedieme len stručnú charakteristiku najrozšírenejších kategórií.

Podrobnejšie sa tu budeme zaoberať programovateľnými automatmi. Často sú označované anglickou skratkou PLC, Programmable Logic Controller (programovateľný logický radič - systém). Dostupnosť pokročilých funkcií v moderných typoch programovateľných automatov, hlavne ich výpočtová univerzálnosť a výkon a komunikačné schopnosti sú niekedy zdôrazňované skratkou PAC Programmable Automation Controllers (programovateľný automatizačný radič, programovateľný systém pre automatizáciu). Programovateľné automaty sú najrozšírenejšími riadiacimi systémami a veľmi často sa používajú pre riadenie mechatronických sústav. Budú popísané typické kategórie programovateľných automatov, možnosti ich výstavby a programovania. Naznačené budú zásady programovania typických úloh logického typu a regulácia.

Pri riadení a technickej diagnostike sa stále častejšie používajú princípy umelej inteligencie – ide o inteligentné systémy alebo systémy, ktoré vykonávajú soft computing (nemá ustálený český ekvivalent). Mnohé z týchto princípov sú dostupné aj pre programovateľné automaty, predovšetkým fuzzy logika a neurónové siete. Niektoré inteligentné algoritmy sú výhodne realizovateľné vo vzájomnej komunikácii a spolupráci programovateľných automatov s počítačovými výpočtovými programami, napr. Matlab/Simulink. Takto sa dajú realizovať napr. neurónové siete a ich učenie alebo genetické algoritmy. Preto sú v šiestej kapitole stručne vysvetlené ich základné princípy.

Výklad je miestami hrubo zjednodušený a má skôr encyklopedický charakter. Súčasne sa snaží vysvetliť význam často používaných termínov a skratiek a zjednotiť českú terminológiu. Poslaním kapitoly 5 a 6 nie je, aby sa ich čitateľ stal špecialistom v odbore riadiacej techniky, projektantom automatizovaných systémov alebo programátorom riadiacich systémov. To vlastne nie je ani cieľom študijného odboru mechatronika. Cieľom bolo poskytnúť základné informácie a prehľad, aby sa mohol orientovať v náročnom a dynamicky sa vyvýjajúcom odbore. Preto tu uvádzame len taký rozsah látky, ktorý je vo výuke zvládnuteľný a ktorý absolventom umožní dobré uplatnenie vo svojej profesii, na ktorú sa pripravujú – pri návrhu, prevádzke a údržbe mechatronických zariadení. Pre absolventa odboru mechatronika je predovšetkým dôležité aby:

·mohol zariadenie kvalifikovane obsluhovať, diagnostikovať a opravovať
·vedel rozhodnúť, ktoré funkcie je vhodné riešiť na mechanickom princípe a ktoré riadiacim systémom a jeho programom
·vedel kvalifikovane formulovať požiadavky na riadenie
·mohol s porozumením komunikovať a spolupracovať s konštruktérmi, projektantmi, programátormi a s dodávateľmi riadiacej techniky
·mohol kvalifikovane rozhodovať o výbere ponúkaných mechatronických systémov a výrobkov a vedel posúdiť kvalitu dodaných produktov
·vedel, čo je jednoduché a čo obtiažne, čo lacné a čo neúnosne drahé
·nemusel byť príliš závislý na cudzích názoroch a mal tak dostatočnú slobodu v rozhodovaní a posudzovaní
·v prípade záujmu mohol pokračovať v štúdiu zameranom na automatizáciu a riadiacu techniku

5.2 Riadenie a automatizácia v našom živote

Skôr ako sa budeme venovať princípom a spôsobom realizácie riadiacich a diagnostických funkcií sa stručne zoznámime so súčasným stavom odboru automatizácie, do ktorého patrí aj riadiaca technika a technická diagnostika. Už v samotnom pomenovaní automatizácia sa dá vycítiť, že sa jedná o priebežný proces premeny, o automatizovanie, kedy je tradičné ručné riadenie nahradzované automatickým riadením. Podobne bola v historicky dávnejších dobách mechanizácie procesom, v ktorom bol obmedzovaný podiel ľudskej práce vo výrobnom procese. Sila a práca ľudských svalov bola nahradzovaná najrôznejšími mechanickými pohonmi stále dômyselnejších strojov.

Pri automatizácii je predovšetkým odstraňovaná ubíjajúca stereotypná práca a uľahčovaná náročná psychická práca, oslabujúca stresujúca pracovná aktivita, niekedy je ešte zmierňovaná aj fyzická námaha. Postupne je obmedzovaná účasť človeka na procese riadenia, často je človek z procesu riadenia vylúčený. Automatizácia nie je lacná. Viditeľnými prínosmi sú úspory v dôsledku zrušených pracovných miest. Významným dôsledkom je zvýšenie produktivity a objemu výroby, zvýšenie kvality a opakovateľnosti výroby. Dochádza aj ku zlepšeniu spoľahlivosti a bezpečnosti, obmedzeniu havárií, nehôd a úrazov, pretože človek (ľudský faktor) je často nejmenej spoľahlivým a najviac zraniteľným prvkom výrobného procesu. Mnohé prínosy automatizácie sa dajú obtiažne vyčísliť, no napriek tomu sú zjavné.

Dnes je automatizácia riadenia natoľko rozšírená, že návrat k ručnému riadeniu už nie je možný. Asi ťažko si dokážeme predstaviť, že by sme každý stroj alebo technologický proces riadili ručne. Už by sme ani nezohnali dostatok ľudí, ktorí by boli schopní a ochotní túto prácu vykonávať. Nie je to možné ani pri jednoduchých domácich spotrebičoch. Predstavme si, že by sme napríklad ručne vypínali rýchlovarnú kanvicu pri dosiahnutí varu, ručne udržiavali potrebnú teplotu chladničky, rúry alebo miestnosti, že by sme kontrolovali a spúšťali každú pracovnú fázu práčky alebo iného domáceho pomocníka.

Automatické riadenie nahradzuje človeka aj pri riadení pomerne komplikovaných strojov a výrobných procesov alebo aspoň nevyžaduje jeho trvalú prítomnosť. Menujme napr. bezobslužné výrobné stroje, plne automatizované výrobné linky a technologické procesy, výmenníkové stanice a kotolne, klimatizáciu a vzduchotechniku v budovách, vodárenské zariadenia a čističky odpadových vôd. Mnohé priemyslové a energetické procesy sú natoľko komplikované, že ich ručné riadenie je pre človeka už nezvládnuteľné a bez náročnej riadiacej techniky sa už nedajú prevádzkovať (napr. riadenie rakiet a raketoplánov). Vďaka automatizácii sa dajú bezobslužne riadiť technológie s nebezpečným a nezdravým prostredím (napr. hútnicke a chemické prevádzky, lakovne a chladiarenské prevádzky). Niektoré úkony sú pre človeka nedostupné, napr. manipulácia s ťažkými alebo objemnými predmetmi (karosérie alebo zváracie hlavice). Alebo pohyby s požadovanou rýchlosťou a presnosťou a opakovateľnosti po zadanej priestorovej v priestore. Inokedy sú pre človeka naopak nezvládnuteľné extrémne jemné a presné operácie (napr. osadzovanie elektronických súčiastok pri povrchovej montáži na plošné spoje). Niekedy je automatizované riadenie jediným možným riešením, pretože prítomnosť človeka v danom prostredí nie je možná (napr. v aktívnych zónach jadrových elektrární, pri riadení rakiet, družíc a kozmických sond bez posádky alebo riadenie vozidla na Marse). Podobnou situáciou je aj riadenie pyrotechnického alebo požiarného robota (aj keď tu býva inteligencia riadiaceho systému kombinovaná s diaľkovým riadením).

V zložitých prípadoch je prítomnosť človeka ešte stále nevyhnutná, ale je mu tu obvykle zverená rola kvalifikovaného operátora, kontroly, dozoru alebo experta. Aj z týchto postov je človek stále viac vytlačovaný, alebo je aspoň obmedzovaná zodpovednosť a rizikovosť jeho zásahu. Prispieva k tomu rastúca chytrosť riadiacich a informačných systémov i využívanie princípov umelej inteligencie ( expertné a poradné systémy, trenažéry a simulačné modely, adaptácia, automatické učenie a prispôsobovanie systémov meniacim sa podmienkam, rozpoznávanie obrazov a diagnostických stavov, ich predvídanie, komunikácia s operátorom v prirodzenom jazyku a pod.).

Bežnými sa už stali automatizované riadiace, monitorovacie a dokumentačné systémy celých výrobných prevádzok. Tie sú stále častejšie prepojované s informačnými systémami podnikov. Automatizácia tak postupne prirastá ako informačné podhubie všetkými výrobkami, výrobnými prostriedkami, ľudskými sídlami a ich vybavením, domácimi spotrebičmi a hračkami, dopravnými prostriedkami. Sieť internet a vyspelé bezdrôtové komunikačné technológie ju sprístupňujú aj pre riadenie veľmi rozľahlých sústav, napr. elektrizačných, vodárenských, teplárenských a plynárenských sietí a dopravných systémov. V tejto súvislosti sa najnovšie používa termín telematika alebo telematické systémy – najmä v súvislosti s dopravnými systémami a ich riadením. Slovo telematika vzniklo zlúčením slov telekomunikácia a informatika, ale má súčasne i význam prostriedku pre riadenie rozľahlých systémov. Automatizácia tak doprevádza väčšinu ľudských aktivít a všetko navzájom prepojuje do jednotného automatizovaného supersystému našej globálnej spoločnosti.

Súčasná riadiaca technika v mnohých oboroch opúšťa svoj pôvodný účel- automatizovať, odľahčiť človeku od namáhavej a ubíjajúcej rutinnej práve. Stále častejšie sa uplatňuje tam, kde sa človek nikdy neuplatňoval. Riadiaca technika sa stáva neoddeliteľnou súčasťou výrobkov, ktorým poskytuje chytrosť a vyspelé funkcie. Mnohé výrobky bez nej nemôžu dosiahnuť potrebnú kvalitu a úžitkové vlastnosti. Napríklad u moderných automobilov sa odhaduje, že podiel elektronických systémov činí desiatky percent z celkovej ceny a bez nich nie je automobil schopný fungovať. Automatizácia už nemusí len automatizovať to, čo bolo dosiaľ ručne riadené, ale povyšuje výrobok na kvalitatívne vyššiu úroveň. Táto situácia je typická i pre mechatroniku.

5.3 Programovateľnosť riadiacich systémov a jej dôsledky
Základným a výkonným prvkom automatizačnej techniky je riadiaci systém. V súčasnosti je srdcom riadiaceho systému takmer vždy niektorý z mikroprocesorov, mikroradičov, signálových procesorov, alebo zabudovaný priemyslový počítač. Jeho program realizuje súbor funkcií a určuje vlastnosti riadiaceho systému. Väčšinu riadiacich systémov tvoria užívateľsky programovateľné riadiace systémy (typu PLC, CNC alebo priemyslové počítače). Programujú sa v prostredí a v jazyku, ktorý je prispôsobený prevažujúcim úlohám a mentalite užívateľov. Jazyk užívateľského programovania je človeku bližší a zrozumiteľnejší, než jazyk skrytého mikroprocesoru. Programom mikroprocesorov sú potom realizované všetky inštrukcie, systémové a komunikačné služby a diagnostické funkcie, ktoré slúžia programátorovi na užívateľskej úrovni. Užívateľský program riadiaceho systému beží nad programom vnútorného mikroprocesoru alebo počítača.

Z programovej realizácie vyplýva, že všetky spracovania vo vnútri riadiaceho systému prebiehajú v číslicovej forme. Všetky úkony sú prevádzané v nespojitých časových okamihoch. Niekedy bývajú vykonávané v najkratšom dostupnom intervale (obvykle pripomínajú premenné dĺžky), ktorý je určený dobou prebehnutia slučky programu- dobou programového cyklu. Mnohé operácie sa prevádzajú v podstatne pomalších taktoch a s pevným intervalom spracovania. Jeho dĺžka zodpovedá typu riešenej úlohy a býva zadaná ako parameter programu. Väčšinou sa jedná o úlohy číslicového charakteru, obvykle regulácie a filtrácie. Presnosť a stabilita v dodržaní intervalu aktivácie ovplyvňuje presnosť číslicových úloh. Pre riadenie rýchlych mechanizmov a pre reguláciu rýchlych procesov býva volený interval v desatinách, jednotkách až desiatkach milisekúnd, pre reguláciu teplôt a ďalších pomalých dejov postačuje interval v jednotkách až desiatkach sekúnd, pre úlohy optimalizácie a adaptácie sa používajú podstatne dlhšie intervaly. Túto vlastnosť programových riadiacich systémov nazývame nespojitosť v čase.

Program môže spracovávať len číslicové údaje. Tie sú už zo svojej podstaty nespojité. Tejto vlastnosti programovateľných systémov sa hovorí nespojitosť v hodnote. Jemnosť či hrubosť rozlíšenia hodnôt závisí od formátu v ktorom sú čísla uložené a spracované. Binárne logické premenné rozlišujú 2 stavy: nie- áno (0 -1. informácia 1 bitu, tj. rozsah jednej dvojkovej číslice). U čísiel vo formáte s pevnou rádovou čiarkou v dĺžke 8 bitov (1 byte) sa dá rozlíšiť 256 hodnôt, pri dĺžke 16 bitov (2 byte, word) sa dá rozlíšiť 65 536 hodnôt, vo formáte s plávajúcou rádovou bodkou je rozlíšenie ešte jemnejšie. Nespojitosť v hodnote nebýva významná. Často si ju ani neuvedomujeme a číslicový údaj vnímame ako spojitý.

5.4 Riadiaci systém a komunikácia s okolím
Riadiaci systém je schopný svojim programom vykonávať všetky požadované riadiace a diagnostické funkcie. Informáciu o stave stroja alebo technologického procesu (riadené sústavy) získava prostredníctvom vhodne volených senzorov, ktoré sú pripojené k jeho výstupom. Prevádzajú hodnoty sledovaných veličín do formy signálov, ktoré sa dajú ďalej prenášať a spracovávať. Najčastejšie sú to elektrické signály- obvykle elektrické napätie alebo prúd. Niektoré senzory predávajú len dvojhodnotovú informáciu (binárne senzory) typu zapnuté- vypnuté, poloha (hladina, teplota) dosiahnutá- nedosiahnutá. Na vstupnej strane riadiaceho systému sa pripájajú na dvojhodnotové (binárne) vstupy. Niekedy sa v tejto súvislosti používa prívlastok číslicové alebo digitálne, ktorý je však mätúci a nedoporučujeme jeho používanie- nejde o čísla, ale o dvojhodnotové logické premenné. Často sa používajú analógové senzory, ktoré hodnoty spojitých veličín prevádzajú na zodpovedajúce hodnoty spojitého signálu, ktorý sa privádza na analógové vstupy systému. To je vo vstupnom analógovo- číslicovom prevodníku (A/D) transformovaný na zodpovedajúcu číselnú hodnotu vstupnej premennej v potrebovanom formáte (obvykle v pevnej radovej čiarke dĺžky 8,12 alebo 16 bitov). Pred ďalším výpočtom prevádza program riadiaceho systému ešte predspracovanie vstupných údajov, napr. prevedenie údaja prečítaného z prevodníka na údaje vyjadrené v obvyklých inžinierskych jednotkách., filtráciu a potlačenie šumu, overenie vierohodnosti a platnosť údajov, rozpoznanie zmien a trendov.

Takto je napríklad v odporovom teplomere prevedený údaj o aktuálnej teplote na hodnotu odporu a následne na hodnotu elektrického napätia, ktoré je privedené na vstup riadiaceho systému. Tu je mu priradená zodpovedajúca číselná hodnota v jednotkách, s ktorými sa ľahšie počíta (napr. na ľudský údaj o teplote v 0,1 stupňoch celzia). Jednoduchou filtráciou sadá previezť výpočtom kĺzavých priemerov (napr. ako súčet posledných 4 po sebe idúcich hodnôt delených štyrmi) alebo ako medián (výberom prostrednej hodnoty z posledných troch alebo piatich meraných vzorkov). Tak sa dajú obmedziť náhodné šumy a kolísanie hodnôt. Ďalej je účelné skontrolovať, či sa údaj nachádza v stanovenom tolerančnom pásme, inak nepokračovať vo výpočte a ohlásiť chybu.

Stále častejšie sú dnes používané múdre senzory (smart), ktoré v sebe obsahujú analógové číslicové prevodníky a predávajú číslicový údaj o meranej hodnote, prípadne už predpracovaný a skontrolovaný. Chytré senzory obvykle ďalej poskytujú kontrolu komunikácie a správneho doručenia údajov, kontrolu správnej funkcie senzoru, jeho diaľkové nastavenie a pod. Číselné údaje sú prenášané prostredníctvom sériovej komunikácie rozhraním a komunikačným protokolom niektorej z priemyslových zberníc (AS Interface, Profibus DP, CAN, Device Net, Interbus), v poslednej dobe i prostredníctvom priemyslovej verzie Ethernet.

Prostredníctvom priemyslovej zbernice sa dajú k systému pripojiť i moduly vzdialenostných vstupov a výstupov a špecializované prístroje, napr. snímače sily a vážiace zariadenia, frekvenčné meniče, čítacie zariadenia kariet, snímače čiarových kódov a iných identifikačných prvkov (odtlačok palca). Priemyslovou zbernicou komunikujú i operátorské panely a ďalšie spolupracujúce systémy. Na strane systému sa zbernica pripája na špecializované svorky alebo konektory. Používané sú i prostriedky bezdrôtovej komunikácie. Číslicové údaje sa dajú prenášať podstatne ľahšie a bezpečnejšie než analógové. Jednou sériovou komunikačnou linkou sa dajú prenášať údaje z viac zdrojov (podľa typu priemyslovej zbernice).

Výsledkom spracovania hodnôt vstupných premenných programom riadiaceho systému sú hodnoty výstupných premenných. Niektoré majú význam dvojhodnotových logických premenných. Systém ich predáva svojimi dvojhodnotovými výstupmi. Bývajú riešené ako polovodičové spínače, často ako kontakty relé. Sú určené pre ovládanie akčných členov (aktorov) dvojhodnotového charakteru, najčastejšie elektromagnetické spojky, elektropneumatické prevodníky, ventily, elektrické kúrenia, elektromotory, svietidlá a pod. Číslicové výstupné premenné sú vo výstupných číslicovo analógových prevodníkoch (D/A) transformované na analógové výstupné signály, ktoré ovládajú analógové akčné členy, napr. servopohony, frekvenčné meniče, výkonové zosilovače. Výstupy systému bývajú s výhodou prenášané na sériovú komunikáciu prostredníctvom niektorej z priemyslových zberníc, Ethernetu alebo bezdrôtovo. Pre vybavenie riadeného objektu senzormi, akčnými členmi, prípadne i riadiacim systémom, sa používa zjednocujúce pomenovanie inštrumentácia procesov alebo len inštrumentácia. Niekedy používané poľná inštrumentácia vzniklo násilným prekladom.

Ku komunikácii riadiaceho systému s človekom- operátorom (obsluhou), zoraďovačom alebo opravárom (diagnostikom)- je určené operátorské rozhranie, niekedy označované skratkou HMI alebo staršie MMI. Niekedy je operátorské rozhranie riešené ako neoddeliteľná súčasť riadiaceho systému, častejšie ako samostatný prístroj, ktorý je s riadiacim systémom spojený sériovou komunikačnou linkou (obvykle zase niektorou z priemyslových zberníc). Prevedenie operátorského rozhrania je podriadené situácii na danom pracovisku, počtu a rozsahu zadávaných a zobrazovaných údajov, kvalifikácii operátora, početnosti a závažnosti jeho zásahov, ale i cene. Niekedy je riešené ako skromný operátorský panel s niekoľkými tlačítkami a možnosťou zobrazenia niekoľkých číslic a krátkych textov. Niekedy sú to komfortné operátorské panely s klávesnicou a grafickou obrazovkou, často dotykovou, niekedy priamo priemyslové počítače v panelovom prevedení. Ako komfortné operátorské rozhranie bývajú použité štandardné počítače vo riadiacich centrách alebo na dispečerských pracoviskách. Obvykle sú vybavené špecializovaným programovým systémom – vizualizačným systémom- pre názorné zobrazovanie stavu riadených procesov, pre ich ovládanie, dokumentovanie ich vývoja a archiváciu významných údajov. Často je pre ne používaná skratka SCADA/HMI. Pre riešenie operátorského rozhrania bývajú používané i prenosné počítače taškového (notebook) alebo vreckového formátu (paltop), prípadne kombinované prístroje pre mobilnú komunikáciu.

5.5 Typy a algoritmy riadenia
5.5.1 Riadená sústava
Riadiaci systém spracováva informácie o riadenej sústave. Niekedy sa hovorí o riadenom technologickom objekte (technologickom objekte). Informácie získava prostredníctvom údajov zo senzorov. Spolu s nimi spracováva ešte údaje, ktoré zadal operátor. Vyčísľuje hodnoty výstupných premenných. Niektoré majú význam pre operátora a zobrazuje ich prostredníctvom operátorského rozhrania. Tie, ktoré sú určené pre ovládanie riadenej sústavy – akčné veličiny, akčné zásahy- sú ako výstupné signály predávané akčným členom na sústave.

5.5.2 Algoritmus riadenia
Pri zadávaní a popise činnosti programu riadiaceho systému sa často používa termín algoritmus. Zjednodušene ho môžeme chápať ako popis činnosti, postup, ktorý sa má pre daný spôsob riadenia vykonať- v podstate prepis, podľa ktorého má byť vytvorený odpovedajúci program riadiaceho systému. Podľa prevažujúcich algoritmov bývajú označené i typy riadiacich systémov, ktoré ich realizujú., napr. ako číslicové alebo logické systémy, regulačné systémy (regulátory) a pod. Veľakrát sme svedkami terminologickej nedôslednosti, keď pomenovanie algoritmus a systém bývajú zmiešavané, napr. číslicový algoritmus i číslicový systém, spätnoväzbový algoritmus i spätnoväzbový systém.

5.5.3 Dopredné a spätnoväzbové riadenie
Riadenie sa obvykle rozlišuje na dopredné a spätnoväzbové. Pri doprednom riadení alebo tiež ovládaní pôsobí riadiaci systém na sústavu priamo, bez toho aby zisťoval jej stav po zásahu, napr. keď je potrebné rozsvietiť svietidlo, spustiť motor, otvoriť ventil alebo aktivovať iný jednoduchý elektrický spotrebič, ktorého aktivitu je nutné kontrolovať, prípadne to nie je možné alebo účelné ( bolo by zbytočne drahé inštalovať senzory s väčším počtom výstupov). Dopredné riadenie je často využívané ako prostriedok ručného riadenia, keď človek – operátor ovláda sústavu prostredníctvom riadiaceho systému s využitím komfortu jeho operátorského rozhrania. Dopredné riadenie v tejto najjednoduchšej forme je vlastne riadením bez kontroly, len na základe dôvery, že sa požadovaná aktivita vykonala. Veľakrát je predpokladané, že po uplynutí stanovenej doby sa dá požadovaná akcia považovať za vykonanú. Neexistujúcu informáciu o prevedení akcie alebo o zmene riadenej sústavy pôsobením akčnej veličiny ,môžeme nahradiť informáciou, získanou z modelu riadenej sústavy, ktorý je realizovaný programom systému.

Častejšie a bezpečnejšie je spätnoväzbové riadenie, kde je spätne kontrolované vykonanie zadaných povelov. Niekedy je spätná väzba len dvojhodnotová (binárna, logická), sprostredkovaná binárnym čidlom vo význame prevedené- neprevedené. Spätnú väzbu môže tvoriť kompletná číselná informácia o hodnote riadenej veličiny. Niekedy je informácia spätnej väzby získavaná nepriamo, len podľa následkov akčného zásahu (ušetria sa senzory i vstupy systému). Napríklad na zapnutí vyhrievacieho telesa sa dá usudzovať z narastajúcej teploty alebo zo zvýšeného odberu elektrickej energie. Spätná väzba je mnohokrát získavaná až spätne, na základe informácie o vykonaní požadovanej akcie. Napríklad pri požiadavke na presunutie pomocného mechanizmu do požadovanej polohy sa nezískava informácia o spustení pohonu, ani o jeho aktuálnej polohe alebo rýchlosti pohybu, ale predáva sa až údaj koncového spínača dosiahnutie cieľovej polohy. Podobne pri požiadavke na napustenie alebo vypustenie nádrže nebýva zisťovaný stav ventilu či čerpadla ani prietok kvapaliny, ale až údaj senzoru dosiahnutia požadovanej hladiny. Dôvodom sú opäť úspory na inštrumentácii, niekedy však len pohodlnosť a konzervativizmus. Ak je v systéme dostupný aktuálny číselný údaj o polohe mechanizmu alebo o výške hladiny, potom sa dá ľahko vyhodnotiť jeho zmenu ako informáciu o aktivite pohonu. Naviac sa dá priebežne vypočítavať rýchlosť pohybu. Ktorá môže byť cennou dodatočnou informáciou, napr. pre riešenie diagnostiky.

Ak je dopredné riadenie realizované pri osobnej účasti operátora, jedná sa vlastne tiež o spätnoväzbové riadenie s tým, že funkciu spätnej väzby realizuje človek. V praxi sa obvykle stretávame so zložitejšími a kombinovanými prípadmi. Napríklad zapnutie obyčajného spotrebiča môžeme zo svojho pohľadu považovať za akciu dopredného riadenia. Aktivita spotrebiča je ale vnútorne realizovaná ako spätnoväzbový proces, pri ktorom je udržiavaná nastavená teplota a naviac je tepelnou poistkou strážené prekročenie bezpečnej teploty. Podobne je roztočenie motoru prostredníctvom frekvenčného meniča realizované ako pomerne zložitý spätnoväzbový proces. Obrábanie v ručnom režime sa dá považovať za jednoduché dopredné riadenie, ale v skutočnosti sú aktivované spätnoväzbové procesy ktoré zaisťujú požadovanú rýchlosť posuvov a otáčania vretena, prípadne konštantnú reznú rýchlosť pri meniacom sa polomere obrábania. Záleží teda na uhle pohľadu a na rozlišovanej úrovni.

Veľmi rozšíreným typom spätnoväzbového riadenia je regulácia. Pri nej sa priebežne porovnáva žiadaná hodnota riadenej veličiny s jej skutočnou hodnotou a z ich rozdielu ( regulačnej odchýlky) je vypočítaná hodnota akčnej veličiny. Tá je výstupom z riadiaceho systému a pôsobí na riadený objekt tak, aby sa skutočná a žiadaná hodnota vyrovnali v čo možno najkratšom čase, alebo aby ich rozdiel bol čo možno najmenší. V tejto súvislosti sa často používa slovo algoritmus riadenia či riadiaci alebo regulačný algoritmus (regulačný zákon).

5.5.4 Číslicové, logické a hybridné algoritmy
Pri riadení, ale aj v iných úlohách sa stretávame s dvoma typmi algoritmov- s číslicovými a logickými. Základom číslicových algoritmov je matematický vzťah (formula, vzorec), ktorý je predpisom ako z číselných hodnôt vstupných veličín vypočítavať číselné hodnoty výstupných premenných. Takto sú najčastejšie realizované mnohé typy regulačných algoritmov, ale i číslicových filtrov a modelov, optimalizácie procesov, adaptácie modelov, štatistické výpočty atď.

V mnohých prípadoch, napr. pri regulácii sú číselné hodnoty výstupných premenných prevádzané na výstupný analógový signál akčnej veličiny. Z pohľadu vstupov a výstupov sa taký číslicový systém javí ako analógový, pretože do neho vchádzajú analógové vstupy a vychádzajú opäť analógové výstupy.

Naproti tomu je logický algoritmus popísaný ako súbor pravidiel alebo logických výrazov. Niekedy sa nazýva ako pravidlový systém. Vyčíslením pravidiel alebo výrazov sa získajú pravdivostné hodnoty výstupných premenných. Najčastejšie majú dvojhodnotový charakter a význam akčných zásahov typu chladenie vypnúť- zapnúť, kúrenie zapnúť- vypnúť, alebo diagnostických signálov porucha zistená- nezistená. Pri logických systémoch sa obyčajne mlčky predpokladá, že ich logické premenné (vstupné, výstupné aj vnútorné) majú dvojhodnotový (binárny) charakter. Ich pravdivostné hodnoty sa obvykle vyjadrujú dvojkovými číslicami 0 (nepravda) a 1 (pravda). Pre popis a metodiku návrhu dvojhodnotových systémov sa často používa matematický aparát Booleovej algebry a teórie konečných automatov.

V praxi sa ale môžeme stretnúť s logickými systémami, ktorých premenné majú viac pravdivostných hodnôt- potom sa hovorí o viachodnotových logických systémoch. Pre ich popis sa používajú algebry viachodnotovej logiky. Obvykle sa používajú logiky s rozlíšením 3 až 7 pravdivostných hodnôt- v reálnych logických systémoch sú pravdaže kódované ako kombinácie hodnôt binárnych premenných, podobne ako čísla. Napríklad v trojhodnotovej logike sa dajú rozlíšiť pravdivostné hodnoty 0 (nepravda), 0,5 (neviem) a 1 (pravda), alebo v päťhodnotovej logike 0-0,25-0,5-0,75-1. pravdivosť sa často vyjadruje v percentách, napr. 0℅-25℅-50℅-75℅-100℅.

Môžeme sa ale stretnúť s logickými systémami, kde pravdivosť ich premenných môže nadobúdať akékoľvek číselné hodnoty medzi 0 (0℅, nepravda) a 1 (100 percent, pravda). Sú nimi fuzzysystémy. Matematickým základom pre ich popis je teória fuzzy- logiky. Prívlastok fuzzy (neostrý, rozmazaný) tu vyjadruje neurčitosť informácie. Tá môže vyplývať zo samej podstaty javu. Jablko môže byť čiastočne zrelé a čiastočne nezrelé, trocha sladké, trocha kyslé. Vodu môžeme hodnotiť ako trochu horúcu, trochu vlažnú, rovnako neostrý je rozdiel napr. medzi významami dospievajúci a dospelý, úspešný a neúspešný, malý a veľký, zdravý a nezdravý. Zdrojom neurčitosti môže byť meranie a spôsob získavania informácie, vierohodnosť meraných údajov, ale aj názory rôznych ľudí na hodnotenie rovnakého problému, hodnotenie očitých svedkov k prežitej udalosti, posudzovanie znalostí maturanta členmi skúšobnej komisie. Z neurčitých údajov môžeme získať len neurčité výsledky, napríklad závery o bezporuchovom stave alebo o veľkosti akčného zásahu. Určitý výrok môže mať len čiastočnú pravdivosť ( napr. riziko závady je 35 percent), nenulovú pravdivosť môžu mať aj protikladné výroky (napr. bezchybný stav = 60 percent, závada = 35 percent, havária = 5 percent). Fuzzy logika je využívaná aj k obsiahnutiu prirodzenej neurčitosti ( vágnosti) ľudského myslenia a vyjadrovania. Podobne ako s fuzzy premennými možno zachádzať aj s viachodnotovými premennými. V praxi riadiacej techniky sa často stretávame so systémami, ktorých chovanie je popísané kombináciou algoritmov číslicového a logického typu. Obvykle sa označujú ako hybridné. Môžu to byť napr. číslicové systémy, ktoré pre rôzne situácie (stavy) používajú odlišné matematické stavy pre výpočtové algoritmy. Pri zmene stavu dôjde k zmene štruktúry alebo parametrov algoritmu číslicového podsystému, ktorý je aktivovaný. Aktuálny stav je vyčísľovaný pravidlami alebo výrazmi logického podsystému. V tomto prípade sa jedná o systém s premennou štruktúrou. Pokiaľ sú pravidlá vyhodnocované v binárnej alebo viachodnotovej logike, jedná sa o systém so skokovo- premennou štruktúrou, pri použití fuzzy logiky sa jedná o spojitú zmenu štruktúry. Existujú aj podstatne zložitejšie typy hybridných systémov.

5.5.5 Statické a dynamické, kombinačné a sekvenčné systémy
Niektoré algoritmy (systémy) reagujú len na súčasnosť, na aktuálnu situáciu. Okamžité hodnoty vstupných premenných prevádzajú na zodpovedajúce hodnoty výstupných premenných. Číslicové algoritmy (systémy) s touto vlastnosťou sa označujú prívlastkom statické. Stretávame sa s nimi napr. pri prevode meraného údaja z jednotiek A/D prevodníka na údaj v inžinierskych jednotkách, pri linearizácii snímača alebo korekcii jeho chýb. Logické algoritmy, ktorých výstupy sú závislé len na okamžitej kombinácii vstupných premenných sa označujú ako kombinačné (typickými predstaviteľmi sú prevodníky kódov).

V praxi sa ale omnoho častejšie stretávame so systémami, ktorých výstupy naviac závisia od predchádzajúceho vývoja systému, na situácii, v akej sa nachádza systém alebo riadený objekt- na stave. Číslicové systémy s touto vlastnosťou sa označujú ako dynamické. Patria sem obvykle regulačné algoritmy, algoritmy filtrácie, algoritmy pre modelovanie spojitých riadených sústav a pre predpovedanie ich očakávaného vývoja.

Podobnú vlastnosť vykazujú i sústavy spojitého charakteru. Typické pre ne je zotrvačné chovanie a vlastná dynamika chovania pri prechodoch medzi rôznymi stavmi (pri zapnutí alebo vypnutí, pri zmene požadovanej hodnoty, pri zmene podmienok v okolí), kde žijú svojim životom. Ich veličiny sa menia podľa vlastných pravidiel, niekedy môžu kmitať alebo nekontrolovane rásť (u nestabilných sústav). Príčinou vlastnej dynamiky sústav(samotných i riadených) je akumulácia energie alebo média (napr. nahromadenie tepla či chladu v murive alebo v objeme vzduchu vykurovanej miestnosti, zaplnenie nádrže kvapalinou, roztočenie zotrvačníka, stlačenie pružiny, nabitie kondenzátoru), vzájomná premena rôznych typov energie (napr. kinetickej na potenciálnu a späť pri kyvadle, elektrickej a magnetickej pri elektrických obvodov) alebo oneskorenie pri transporte média (napr. vzdušiny či kvapaliny v potrubí, uhlí na dopravníkovom páse).

U logických systémov odpovedajú dynamickým systémom sekvenčné logické systémy. Ich výstupy sú závislé nielen na okamžitej kombinácii vstupných premenných, ale aj na ich postĺpnosti (sekvencii)teda na stave, ktorý je výsledkom doterajšieho vývoja. Stav je najčastejšie vyjadrený ako kombinácia vnútorných (stavových) premenných alebo ako zapamätaná postĺpnosť vstupných premenných- vstupná pamäť.

5.5.6 Príklady regulačných algoritmov
Pre ilustráciu číslicových a logických algoritmov uveďme niekoľko jednoduchých príkladov. Najjednoduchším číslicovým regulačným algoritmom je proporcionálna regulácia (P regulátor). Platí pre ňu, že akčný zásah je úmerný regulačnej odchýlke podľa vzťahu:
U=k.e=k(w-y)
Kde
e=w-y
je regulačná odchýlka, w je žiadaná hodnota regulovanej veličiny a y je jej skutočná hodnota.

Napr. pre reguláciu teploty pri vykurovaní platí, že čím je skutočná teplota viacej vzdialená od požadovanej, tím väčšia bude hodnota akčnej veličiny. Tou môže byť poloha ventilu(veľkosť otvorenia alebo uzavretia) alebo napätie, ktoré ovláda výkon spoločne regulovaného tepelného zdroja. Pokiaľ je v miestnosti chladno(skutočná teplota y je nižšia, ako žiadaná w), je regulačná odchýlka e kladná. Akčná veličina u bude rovnako kladná a bude pôsobiť tak, aby sa úmerne zvýšilo množstvo privedeného tepla(viac sa otvorí ventil, zvýši sa výkon vykurovania). Pokiaľ je miestnosť prekúrená , bude regulačná odchýlka záporná a akčná veličina bude pôsobiť na úmerné znižovanie privádzaného tepla. Pokiaľ je dosiahnutá požadovaná teplota, odchýlka bude nulová a nebude sa meniť ani množstvo privádzaného tepla. Pretože hodnota akčnej veličiny sa spoločne menia, musí spoločné zmeny dovoliť aj akčný člen, ktorý má dodávku tepla do miestnosti(servopohon, ktorý ovláda polohu ventilu alebo regulátor výkonu kúrenia).

V praxi sa obvykle používajú zložitejšie regulačné algoritmy, najčastejší regulácia typu PID(proporcionálne- integračne- derivačné), ktorý je v princípe analógový(tradične sa realizoval analógovými obvodmi alebo na mechanickom princípe). Pre jeho číslicovú obdobu sa niekedy používa pomenovanie regulácie PSD(proporcionálne- sumačne- diferenčné). Vzhľadom k tomu, že nemôže dôjsť k zámene(analógové regulátory sa používajú len v historických aplikáciách), do poručujeme používať zavedené označenie PID. Akčná veličina u sa tu vypočítava ako súčet troch zložiek. Proporcionálna je úmerná okamžitej hodnote regulačnej odchýlky e, diferenčná zložka je úmerná jej diferencii Δ ek = ek –ek -1 (rozdielu súčasnej a minulej vzorky odchýlky ako číslicovej náhrady derivácie) a sumačnej je úmerná postupne načítaným hodnotám polohovej odchýlky sek = ek + sek -1(ako číslicová náhrada integrálu). Podrobnejšie bude tento typ regulátoru popísaný neskôr.

Sám regulačný algoritmus je jednoduchý a hádam ho realizovať veľmi ľahko, často jedinou špecializovanou inštrukciou alebo aktivovaním podprogramu či systémovej služby. Problémom je pravdaže nastavenie jeho parametrov- koeficientov zosilnenie jeho troch zložiek v závislosti na vlastnostiach riadenej sústavy a na ich vlastnej dynamike. Pri nesprávnej voľbe parametrov má regulačný proces(prechodný dej) nevhodný priebeh- buď je zbytočne pomalý, alebo je rýchly, ale prekmitávajúci, prípadne môže byť aj nestabilný(trvalo kmitajúci alebo nekontrolovateľne rastúci).

Najjednoduchším regulačným algoritmom logického typu je dvojstavový(dvojpolohový) regulátor- v prípade regulácie teploty sa nazýva termostat. Jeho činnosť je popísaná pravidlami: ak e>0 ,tak zapni kúrenie,
ak e≤ 0 ,tak vypni kúrenie.

V tomto prípade má akčná veličina(akčný zásah) dvojhodnotový charakter (zapni- vypni kúrenie) a k jeho predaniu stačí jediný dvojhodnotový výstup systému. Zjednoduší sa aj prevedenie akčného člena- hádam použiť ventily s dvoma stavmi alebo relé alebo stýkač, ktorý spína kúrenie alebo ventilátor.

Častým typom logického regulačného algoritmu je trojstavový(trojpolohový) regulátor, s pravidlami: ak e> 0, tak zapni kúrenie, vypni chladenie,
ak e= 0, tak vypni kúrenie, vypni chladenie,