Generátorové senzory. Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

Transkript

1 Generátorové senzory Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

2 Obecné vlastnosti termoelektrických článků využívá Seebeckova efektu vodivé spojení dvou různých vodivých materiálů A a B horký konec s teplotou T 1 studený konec o teplotě T 0 U EM = ( α α ).( T β T A B 2 1 T0 ) 0.5( β A B )( T1 0) U EM = ( α A α B ).( T1 T0 ) = α A/ B ( T1 T0 )

3 Normalizované termoelektrické články Typ Materiály Roz sah [ C] U t [µv/ C] E Chromel / Konstantan J Fe / Konstantan K Chromel / Alumel R Pt / Pt+Rh S Pt / Pt+Rh T Cu / Konstantan typická přesnost termočlánku je kolem ± 1 C hodnoty napětí v celém teplotním rozsahu lze nalézt v normách ČSN včetně aproximačního polynomu

4 Parazitních vlivů u termočlánků chyby měřícího spoje jedná se o chyby vzniklé mechanickým poškozením, stárnutím termočlánku (oxidace, koroze) apod. chyba srovnávacího spoje kompenzuje se buď konstantní teplotou srovnávacího spoje nebo elektricky kompenzací parazitního termoelektrického napětí, elektrická kompenzace je aktivní nebo pasivní

5 Kompenzace termočlánku pokud se nebude teplota T 0 udržovat na konstantní hodnotě, vznikne chyba údaje můstek napájený ze stabilizovaného zdroje, s jedním teplotně závislým rezistorem měření teploty studného konce kompenzace termoelektrického napětí, integrované obvody (Analog Devices, Linear Technology)

6 Zapojení kompenzačního obvodu termočlánku převodní konstanta 10 mv/ C pro J,K, po přenastavení S,R články lineární aproximace přesnost ±3% do 400 C

7 Tenkovrstvé termočlánky není možné použít běžné substráty jako Si nebo korund zeslabení substrátu v místě spoje na dilektrickou vrstvu SiO 2 je naprašováním vytvořen ohřevný element z Ni-Cr a napařováním 100 bifilárních termočlánků z Cu/CuNi nebo Bi/Sb

8 Tenkovrstvé termočlánky Materiály používané v TNV technologii kov (materiál) Značka U t [mv/100 C] Bizmut Bi -5,2 Konstantan -3,47 Platina Pt 0 Niklchrom NiCr +2,20 Křemík Si +44,08 Telur Te +50

9 Tlustovrstvé termočlánky používají dvou různých vodivých past formovaných do přechodu ze dvou různých materiálů generované elektromotorické napětí (EMF) se stanovuje experimentálně vrstvový planární termočlánek tvořený sérií termopárů

10 Tlustovrstvé termočlánky Příklady sítotiskových past jejichž kombinací lze vytvořit termočlánek Kombinace past AgPd ESL 9635 ESL 2812 (100 Ω/ ) AuPd ESL 6835A ESL 2812 (100 Ω / ) AgPd ESL 9635 ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A Ag DP 6320 AgPd ESL 9635 Ag DP 6320 Průměrné naměřené EMF na přechodu [µv/ C] 18,9 16,2 15,2 13,3 9,4 8,0

11 Generátorové senzory Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

12 Piezoelektrický jev Fyzikální jev, při němž mechanická deformace krystalu některých krystalických dielektrických látek způsobí dipólový elektrický moment objemového elementu. Elektrické momenty všech objemových elementů způsobí polarizaci krystalu. Hodnota elektrické polarizace je číselně rovna fiktivnímu vázanému náboji na jednotkové ploše povrchu, který je kolmý ke směru vektoru polarizace. Po přiložení elektrod k povrchu krystalu vzniknou indukcí na těchto vodivých elektrodách volné náboje.

13 Vznik náboje Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu. Krystal má tři osy, v jejichž směru může být mechanicky namáhán. Elektrický náboj vzniká jen na stěnách kolmých k elektrické ose krystalu.

14 Podélný a příčný jev Podélný elektrický jev vzniká působením síly F x ve směru elektrické osy x. Velikost náboje na stěně kolmé k elektrické ose je podle definice elektrické polarizace dána vztahem Q = P S = k F e e x Příčný elektrický jev vzniká působením síly F y ve směru mechanické osy y. Vektor polarizace působí rovněž rovnoběžně s osou x, ale má opačný směr. Q e = P S e x = k p F y S S y x p x = k p F y b a

15 Náhradní model velikost náboje na elektrodách je závislá na geometrických rozměrech. Výbrus s polepy představuje i kapacitor s kapacitou C. Pro velikost napětí lze psát Q k F e p x U = = = k pfx = C C ε 0 ε rs x náhradní model vrstvy (krystalu, výbrusu) a k u F x

16 Piezoelektrický senzory Kapacita C 0 je dána geometrickou kapacitou mezi polepy výbrusu, odpor R 0 je svodový odpor výbrusu. Nebude-li uvažována vlastní sériová rezonance, bude při polarizaci výbrusu náhradní schéma obsahovat pouze C 0 a R 0. Kmitočet deformační měřené veličiny (síly) musí být nižší než je vlastní kmitočet výbrusu. Piezoelektrické snímače se používají do kmitočtu 10 5 Hz.

17 Piezoelektrika seignettova sůl NaKC 4 H 4 O 6. 4H 2 O křemen SiO 2 titaničitan barnatý BaTiO 3 zirkoničitan olovnatý PbZrO 3 titaničitan zirkonioolovnatý PbZrTiO 5 (PZT) V měřicích zapojeních s piezoelektrickými snímači se jako vyhodnocovacích obvodů používá zesilovačů s tranzistory řízenými polem a nábojových zesilovačů. U některých snímačů je unipolární tranzistor jako impedanční oddělovač umístěn přímo v pouzdru snímače. Stejnosměrné napájecí napětí se přivádí přímo měřicím kabelem.

18 Příklady piezoelektrických senzorů

19 Tlustovrstvý piezoelektrický senzor PZT prášek je smíchán se skelnou fritou AgPd elektrody topný element udržuje pracovní teplotu na 45 C zamezení teplotním driftům rezonančního kmitočtu fázovým závěs pro oscilátor 7.16 MHz vstup přepínán ze všech čtyřech senzorů. hmotnostní citlivost 510 Hz/µg, rozlišení 40ng.

20 Piezoelektrický jazýček PZT vrstva (spin-coating) hřebínkové elektrody 13.9 khz citlivost 5.14 pc/ µm

21 Generátorové senzory Termoelektrický článek Piezoelektrické senzory Indukční senzory

22 Indukce napětí změna měřené neelektrické veličiny se převádí na změnu magnetického toku Φ budicího obvodu, která vyvolá ve snímací cívce indukované napětí: dφ u = N z dt měřená neelektrická veličina může působit buď na rychlost změny magnetického toku spojeného s N z závity pevné cívky nebo při stálém toku měnit počet závitů cívky, které jsou v daném časovém okamžiku vázány s magnetickým tokem. Indukční senzory lze z tohoto důvodu rozdělit na elektromagnetické a elektrodynamické.

23 Princip snímání rychlosti Magnetický odpor rychlost d y Rm = 1 + µ S d 0 dy v = dt y d <<1 u = v N zµ 0U 2 d m S

24 Senzor polohy Pohyb jezdce tvořený cívkou mezi pernamentními magnety v malém rozsahu lineární mag. pole senzoru X N S S N nemagnetický substrát 0

25 Vibrační elektromagnetické snímače mechanická soustava (struna, nosník) je elektromagnetickým obvodem rozkmitána do rezonance a měřenou neelektrickou veličinou se mění rezonanční kmitočet mechanického článku rezonanční kmitočet je měřen pomocí elektromagnetického obvodu, umístěného v blízkosti mechanické soustavy pro měření tlakových a tahových sil, tlaků, deformací, teploty, krouticího momentu a zrychlení

26 Elektrodynamické senzory využití Faradayova indukčního zákona rychlost pohybu vodiče ve směru kolmém na magnetické siločáry v magnetickém poli se rychlostí v pohybuje elektricky vodivý pás o šířce l, je-li b > l, mezi body 1 a 2 naměříme napětí U = B l a v a) v řešení se sběračem b) bez sběrače

27 Elektrodynamické senzory Pohybem vodivého pásu v magnetickém poli se v něm indukují vířivé proudy, které vybudí pohybující se magnetický tok a ten indukuje ve snímací cívce napětí u = KB Napětí je úměrné zrychlení přímočarého pohybu. Pro vytvoření napětí je třeba velké magnetické indukce B a vznikající velké vířivé proudy zahřívají vodivý pás. Pro měření parametrů přímočarého pohybu, vibrací a úhlové rychlosti (tachodynama a tachogenerátory), indikační průtokoměry vodivých kapalin. dv dt

28 Miniaturní indukční senzor obsahuje dvě cívky pro měření opotřebení ložisek malých mezer senzor zrychlení