Senzorika a senzorické soustavy

Transkript

1 Senzorika a senzorické soustavy Snímače mechanických napětí, síly, kroutícího momentu a hmotnosti Tato publikace vznikla jako součást projektu CZ / /0285 Inovace VŠ oborů strojního zaměření, který je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 1

2 Snímače mechanických napětí, síly, kroutícího momentu a hmotnosti 2

3 Snímače mechanických napětí 3

4 Snímače mechanického napětí mechanické napětí se vyhodnocuje z deformace základem je Hookův zákon l l = 1 E F S = ε σ = ε E = F S 4

5 mechanický snímač Extenzometr ke zkoumanému objektu jsou tlačeny hroty snímače, pomocí nichž se přenáší deformace na extenzometr vyhodnocení se provádí např.: pomocí mechanického převodu na ručku snímači vzdálenosti 5

6 Odporové tenzometry změna odporu v závislosti na deformaci Ohm 1827, Wheatstone 1843 změna odporu R = l S ρ R R = l l S S + ρ ρ S S l = 2µ l 6

7 7 Převodní charakteristika odporových tenzometrů ε ε ε ε ε ε ε ε 2 1, ,0, , C C K C C C d R R d K C C R R + = = = + + =

8 Materiály odporových tenzometrů kovové K je konstantní lineární charakteristika Konstantan 2,05 Nikl 10 PtIr 6,5 polovodičové nemají lineární charakteristiku typ P na Si vhodný pro tah kladná charakteristika typ N na Si vhodný pro tlak záporná charakteristika 8

9 typy Kovové odporové tenzometry drátkové volné / lepené fóliové vyráběné fotolitograficky vrstvové vakuově napařované / naprašované typické odpory 60, 120, 350 a 1000Ω teplotní citlivost zdánlivá deformace díky rozdílné teplotní roztažnosti kov tenzometru / nosná část / měřená část samo-kompenzace vhodná volba materiálů 9

10 Kovové odporové tenzometry - vlastnosti změna odporu je velmi malá, řádově μω rušivá napětí termoelektrická napětí na přechodech připojovacích vodičů preferovány můstková zapojení stejnosměrně napájené drift střídavé frekvenční závislost 10

11 Základní druhy odporových tenzometrů 11

12 strunové Rezonanční tenzometry vlastní frekvence struny závisí na f 1 2 F ml 0 = = 1 2l ε E ρ 12

13 Kapacitní tenzometry deformace mění vzdálenost elektrod kondenzátoru minimální používané 13

14 Snímače síly 14

15 Snímače síly 1 Newtonů zákon většinou je síla vyhodnocována z deformace typy deformační členy vetknutý nosník válec pružný rám přímý převod F->ε piezoelektrické magnetické optické 15

16 Deformační členy deformace je měřitelná tenzometry malé deformace snímači vzdálenosti velké deformace materiály minimální tepelnároztažnost (závislost) teplotní koeficient Youngovamodulu hystereze dobrou tepelnou vodivost jemnou homogenní strukturu geometrie směrovost poddajnost ve směru měření umožnit použití 4 aktivních tenzometrů (plný most) deformace musí být v lineární oblasti 16

17 Deformační snímače síly Vetknutý nosník malé síly ε = F = σ = E ε EW l M o W E o o = F l W E o 17

18 Válcové velké síly Deformační snímače síly 18

19 Deformační snímače síly pružný člen typu S lze jednoduše chránit tenzometry před vnějšími vlivy 19

20 Deformační snímače síly Pružný člen vhodný pro hromadnou výrobu 20

21 Váhy s elektromechanickou zpětnou vazbou 21

22 Vážení nádrží, sýpek, tanků.. deformační členy jsou vloženy do konstrukce zavěšení / noh tělesa 22

23 Snímače síly s převodem deformace na polohu 23

24 Snímače síly s extrémní přesností pomocí MKP jsou určen vhodná místa pro umístnění tenzometrů 24

25 Piezoelektrické snímače piezoelektrický jev přímý polarizace některých krystalických nebo polykrystalických dielektrik podrobených mechanickému napětí nepřímý deformací krystalů při působení vnějšího elektrického pole piezoelektrický jev může nastat pouze u krystalů s určitým tvarem mřížky 25

26 podélný jev 3 příčný jev 1 střihový jev 2 Piezoelektrický jev 26

27 Piezoelektrické snímače síly piezoelektrické dvojče (P) je předepnuté tak, aby nastala pouze deformace typu tlak vlastní frekvence v řádu stovek khz 27

28 Piezoelektrické snímače složek síly 28

29 Magnetoelastické snímače změna permeability při deformaci feromagnetických materiálů je úměrná mechanickému napětí µ µ převodní charakteristika snímače je λ µ λ S je činitel magnetostrikce σ µ = µ σ = 0 p S 2 σ 2 B S σ λ µ σ 29

30 Magnetoelastický snímač síly 1 feromagnetický obvod 2 hlavní vinutí materiály Ni-Fe amorfní mag. kovová skla 30

31 Rezonanční snímač síly vysoká stabilita a přesnost 31

32 Snímače kroutícího momentu snímače s odporovými tenzometry s převodem momentu na úhel magnetické změna reluktance magnetoanizotropie amorfních materiálů Wiedemannův jev měřením reakční síly obecný problém přenos signálu z rotující části 32

33 Snímače kroutícího momentu s odporovými tenzometry 33

34 Snímače kroutícího momentu s převodem momentu na úhel 34

35 Snímače kroutícího momentu s převodem momentu na úhel 35

36 Magnetický štěrbinový snímač 36

37 Snímače kroutícího momentu měřící nejpřesnější snímač kroutícího momentu může být realizován jako speciální rám nebo přímo ve skříni stroje reakční sílu 37