Senzory síly a tlaku. Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti.

Transkript

1 Senzory síly a tlaku Evropský sociální fond. Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti. P. ipka, 2010

2 Senzory mechanického napětí - Hook: měření mechanického napětí v závislosti na deformaci - typy: 1. rezonanční senzory struna: závislost f na F 2. odporové tenzometry

3 Odporové tenzometry kovové drátkové fóliové vrstvové volné lepené vakouvé naprašované tenzometry polovodičové monokrystalické lepené difundované do Si substrátu polykrystalické (naprašované) Animace:

4 Principy funkce: S - S - základní vztah: = S l ρ l + l - totální diferenciál: = l l S S + ρ ρ l = ε... relativní deformace l S l l l = 2µ + µ µ S l l l µ... Poisonova konstanta ρ ρ K = = 1+ 2µ + = 1+ 2µ + π ee l l l l π... piezorezistivní koeficient e E... Youngůo modul pružnosti 2 ρ ρ S - důsledek mikrostrukturálních změn materiálu změny nesmí být nevratné! - závislá na délkové deformaci K.. součinitel deformační citlivosti (tenzometrická konstanta)

5 obecně 0,0 = 2 C ε + C ε C ε Kovové tenzometry: K 2, C 2 0 pro ε < teplotní součinitel citlivostli: α K K K 0,20 = ϑ - teplotní součinitel odporu: α 0,20 = ϑ - snaha o minimální teplotní součinitel odporu (<10 ppm/k) - pro vhodně vybrané kovy (pro konkrétní rozmezí teplot) jsou závislosti na teplotě LINEÁNÍ - polovodičové tenzometry mají NELINEÁNÍ závislost

6 Srovnání polovodičového a odporového tenzometru Vlastnost P typ Si, ρ = 0,1 Ωcm drátek Karma poměr součinitel K 125 (typicky) 2,0 62,5 α [K 1 ] , α K [K 1 ] ,2 α t [K 1 ] dilatace α D [K 1 ] ,4

7 Příklady tenzometrických senzorů a) drátkový tenzometr s volnou mřížkou - senzory tlaku, síly b) lepené fóliové -nejužívanější kovové tenzometry -lze zatěžovat velkými proudovými hustotami c) naprašované kovové vrstvové (pro tlakoměry) d) monokrystalické difúzní - polovodičové Si N 3 4 SiO 2 Al p SiO + 2 n Si a) b) c) d) - důležitý parametr tenzoru směrová citlivost - tenzometrická rozeta = kombinace (většinou 3) tenzometrů

8

9 ušivé vlivy teploty na odporové tenzometry - teploty okolí, rušivé termoelektrické napětí, změna tenzometric. konstanty zdánlivá deformace vyvolaná teplot. vlivy: ε ϑ = α m α s α + K υ α m α S α - roztažnost objektu - roztažnost senzoru -teplot. závislost odporu - snaha o vyloučení teplotní závislosti: samokompenzující senzory volíme teplotní součinitele potlačení systematické chyby kompenzační senzor mezipřevod měřené veličiny na deformaci α S α ε αm

10 Měřící obvody pro odporové tenzometry - zdroj rušení - termoelektrické napětí vzniká na na styku materiál x přívod čtyřvodičové zapojení 2 vodiče přívod měř. proudu a 2 pro připojení voltmetru - vyloučení termoelektrického napětí komutací polarity stejnosměrné můstkové obvody - obvykle ze 4 tenzometrů + pomocné odpory

11 ε 1 ε 2 s1 U D k U I p1 ε 3 ε 4 p2 s2 U D = UK U (1 N)P N činitel nelineaity - za předpokladu: P1 S1,, P2 S2 - rozpojené - zkratované 1 = 2 - podm. rovnováhy 3 4

12 Výhody plného můstku 1. stejné odpory tenzometrů anulování činitele nelinearity N 2. citlivost - čtyřnásobná P UK P U U 0, D ε = = ε 3. chyba vlivem teploty je nulová (při identických tenzometrech) 4. chyby vlivem odporu spojek jsou zanedbatelné pokud se můstek vytvoří na pružném členu 5. proudové napájení: vyloučení vlivu odporů přívodů od zdroje + potlačení nelinearity: D ; K K I U = + =

13 Střídavé můstky: - užití: měření rychle proměnných mechanických napětí nestálost 0 zesilovačů, termoel. napětí, parazit. kapacity při velkých f -šestivodičové zapojení:

14 Senzory síly a hmotnosti - princip využití fyzikálních účinků síly převod síla x deformace Newtonův zákon F (t) = ma speciální případ - tíhová síla G = mg převod ε na: převod F ε přímý (intrinsický) (ε velmi malá) náboj - piezoelektrické magnetické vlastnosti optické vlastnosti - OVS tvar členu vetknutý nosník pružný člen válec pružný rám ohyb tah, tlak smyk krut druh deformace ε

15 Pružné (deformační) členy - užití odporových tenzometrů - zásady geometrie pružných členů: 1. směrovost 2.převod měř. síly na deformace opačných znamének pro užití 4 tenzometrů 3. transformace deformace v rozsahu linearity + ochrana proti přetížení pružný člen typu vetknutý nosník pro měření malých sil (desítky kn) F L ε = σ E = M W o oe = FL W E o 2 b h

16 měření smykového napětí F σ B τ měření větších sil F -princip dvojitého nosníku F pružný člen typu S

17 High Accuracy Tension and Compression 'S' Beam Load Cells 100 to 9000 kg Linearity: 0.03% FS epeatability: 0.01% FS 0-10 to 0-20 kg Linearity:±0.25% FSO epeatability: ±0.10%FSO Miniature Industrial Load Cell

18 Pružné členy pro senzory hmotnosti (vážení) - optimalizované pro hromadnou výrobu (tzn. přesnost + min náklady) přeložený nosník: -při zatížení vznikají deformace s opač. znaménkem na vrchní straně a proto se tam umístní fóliový tenzometric. můstek

19 Senzory síly s převodem deformace na polohu F

20 Senzory síly s přímým (intrinsickým) převodem deformace - typy: piezoelektrický magnetoelestický rezonanční na fotoelastickém principu

21 1. Piezoelektrické senzory přímý piezoelektrický jev = polarizace některých dielektrik, působí-li na ně mechanické napětí nepřímý piezoel. jev (piezostrikce) = deformace vlivem vnějšího el. pole - užití: ultrazvukové generátory, akční člen pro posuvy (měřící a regulační technika) - o tom zda piezoelelektrický jev nastane nebo ne rozhoduje poloha středu symetrie základní buňky krystalové mřížky

22 - klidový stav - deformovaný stav y x p 4 p 1 p 3 p 2 - polarizace obou stavů této mřížky je: p 1 p 4 p 2 p 3 1 P = P i p i = 0 p i - vektory dipólmomentů

23 - klidový stav - deformovaný stav y x p 3 p 1 p 3 p 1 p 2 p 2 - pro tuto 6ti úhelníkovou mřížku (např. SiO 2 ) nastává polarizace vzniká piezoelektrický jev

24 - mechanické napětí působí na elektrody: P 3 3 E 1. kolmo (ve směru elektrické osy) = podélný jev Q 1 U P E 1 2. rovnoběžně (ve směru mechanické osy) = příčný jev Q U 2 P U 2 Q 3. smyková deformace -větší citlivost, menší rušivé účinky teplot. dilatací -náboj nezávislý na rozměrech: Q = d 11 F x -náboj závislý na rozměrech: Q = d 11 F y b a

25 Materiály pro piezoelektrické senzory: -monokrystaly SiO 2, triglycinsulfát TGS, titaničitan lithia LiTaO 3 -polykrystalické keramické materiály - titaničitan barnatý LiTiO 3, titaničitan olovnatý PbTiO 3, tuhé roztoky typu zirkonát olova PbZO 3, niobáty -organické polymery- např. polyvinylidendifluorid PVDF feroelektrické materiály - nelineární závislost polarizace na el. poli hysterezní smyčka - zůstanou piezoelektrickými i bez el. vnějšího pole - užití: zdroje stálého el. pole Výbrus SiO2 jako piezoelektrický element

26 Elektrický náhradní obvod senzoru: - vychází z Nortonova teorému: C j Q C j j Q j C j j I j U ) ( ) ( 1 ) ( ) ( ω = ω ω ω = ω ω = ω C C C b) c) a) ( ω) j I ( ω) j Q ) ( ) ( ω ω = ω j Q j j I C j Q j U ) ( ) ( ω = ω

27 Měřící obvody pro piezoelektrické senzory - náhr. obvod spojení piezoelektrického senzoru s napěťovým zesilovačem C C C S K i C K C i C - piezoel. senzory nelze užít pro sledování statických veličin - přenos K( jω) = U ( jω) U( jω) = jωτ 1 + jωτ = Q( j 1 ω C ) k i - odpor kabelu - odpor vstupu měřidla U( jω) = Q( jω) C C τ = c C c S C K C i - svodový odpor - kapacita kabelu - kapacita vstupu

28 Impedanční konvertor v pouzdře senzoru: +U snímač G S D C od - nevýhoda závislost výstupního napětí na C C řešení: zabudovat zesilovač do pouzdra senzoru elektrometrické zesilovače: - jednoduché - užití: napěťové sledovače pro značné napěťové úrovně výstup. signálů

29 2. nábojové zesilovače i + u g + C g du 2 = 0 dt i i C a C C i o + - g C g u 2 u 2 Z 1 = idt C ge g ( jω) = g i = dq dt Zg ( jω) = 1 A Z u g 2 = ( jω) 1 + A Q C g u ( t 2 ) Q = C 0 g e t g C g

30 2. Magnetoizotropní senzor síly F F = 0 F 0 C 2 C 1 α i 1 u výst 2. U 1 ~

31 Senzory kroutícího momentu Moment síly: r - rameno síly z definice: M = Fr F - síla M = Jα = J 2 d Θ 2 dt α - úhlové zrychlení J - moment setrvačnosti tělesa - výkon rotujícího tělesa: P = Mω ω - úhlová rychlost

32 1. senzory s odporovými tenzometry - měří deformaci hřídele mezi motorem a zátěží nebo deformaci vloženého torzního pružného členu deformace: ε = r 2GJ M G - modul pružnosti ve smyku L θ T σ σ D a) b) Mechanická napětí při torzním namáhání

33 M k prstencový pružný člen pro kroutící moment křížový pružný člen pro kroutící moment připojeno k pohonu A M k - snadné lepení tenzometrů A a) b) připojeno k zátěži

34 2. senzory s převodem momentu na úhel - měří se měna úhlu vyvolaná deformací - na hřídeli/vloženém pružném členu jsou ve vzdálenosti L umístěny značky (na indukčnostním a optickém principu) vztah pro moment: M = L GJ Θ -bezdotykové snímání polohy zubů: např senzory na principu Hallova jevu senzor kroutícího momentu s úhlovou deformací: M k indukčnostní senzory měření fázového rozdílu výstup ozubené kolo moment M k

35 změna magnetické reluktance 3. Magnetické senzory momentu -kroutící moment způsobí zvětšení štěrbin u jedné a zmenšení štěrbin u druhé řady -Častěji změnu permeability štěrbiny/drážky výstup U 0 feromagnetická trubka / hřídel kroutící moment M k M k zdroj

36 Přenos měronosného signálu momentu z rotující části 1 3 n - odporové tenzometry jsou nalepené na hřídeli nebo na pružném členu vloženém mezi stroj a zátěž ε ε ε ε P - snaha o vyloučení rušení omezit počet sběrných kontaktů na 2 a na hřídel umístnit převodník /I - speciální napájení transformátorovou vazbou 2 M k - prstenec 2 převod výstup. u můstku na frekvenci pulsů M k

37 otating Torquemeters

38 Senzory tlaku - definice tlaku: 2 způsoby měření tlaku: p = df ds F.. síla [N] S.. plocha [m 3 ] 1 atm = 100 kpa p F pružný člen změna rozměrů přímý (intrinsický) senzor senzor mechanického napětí (v prostředích, kde působí smykové napětí se tlakem označuje normálová složka)

39 typy tlaků: -nulový tlak vakuum -absolutní tlak tlak měřený od nuly -atmosférický tlak - absolutní statický tlak zemského (barometrický) ovzduší měřený u zemského povrchu -přetlak/podtlak rozdíly měřeného x barometrického tlaku -rozdílový (diferenční) tlak rozdíl hodnot 2 současně působících tlaků u proudících prostředí: -celkový tlak součet statického a dynamického tlaku -dynamický tlak p d = 2 v 2 ρ v

40 Základní principy senzorů tlaku převod p F převod F ε přímý (intrinsický) převod ε na náboj piezoelektrické magnetické vlastnosti (L,Φ) optické vlastnosti (OVS) elektrický odpor druh namáhání převod ε na: tvar pružného členu: pružný člen ohyb tah, tlak smyk krut mechanické napětí: tenzometry rezonátory polohu: kapacitní indukční optické membrána trubka vlnovec, krabice nosník

41 - nejužívanější 1. Membránové tlakoměry s tenzometry - deformace membrány: rozložení radiálního a tengenciálního napětí při tlakové deformaci σ σ r = f r ( r / ) σ t -1 r 0 r 1 0 r σ t = f t ( r / ) σ r kovová membrána: nalepené polovodičové tenzometry kovový foliový tenzometr tenzometr nanesen tlustovrstvou technologií

42 tenzometrická rozeta - ideální tenzometr (-folie) pro membrány - 2 senzory na kraji a 2 uprostřed

43 2 1 P Odděl. membrána Silikonový olej Křemíková membrána Membránový senzor s oddělovací kapalinou

44 2. Deformační senzory tlaku - trubicové Bourdonova trubice P

45 3. Kapacitní senzory tlaku - kapacitor - diferenční -pružný člen = předpjatá kovová membrána zároveň tvoří uzemněnou elektrodu -pracovní rozsah: p = 1 mbar 10 bar, p až 400 bar C 1 C 2 I OM p 1 p 2 Sklo K M Membrána diferenční kapacitor s oddělovací kapalinou

46 mikromechanický kapacitní senzor tlaku sklo elektrody p Si - kombinace křemíkové membrány a kapacitního senzoru -Přesnější než křemíková membrána a polovodičovým tenzometrem -Malá teplotní závislost

47 4. Piezoelektrický senzor tlaku konektor zesilovač - nutné mechanické předpětí krystalu - kompenzace vibrací - vhodný pro měření rychlých tlakových změn (např. ve válcích) kompenzace zrychlení křemenné výbrusy M membrána předpětí vývody elektrod

48 esonanční senzor tlaku magnetické pole buzení výstup krycí vrstva rezonátor membrána tlak krycí vrstva i H + frekvenční výstup rezonátor velmi nízká hystereze teplotní koeficient citlivosti 10 ppm/k přesnost pod 0,1%.

49 Příklady tlakových senzorů (oddělovací kovová membrána) křemíková měřicí membrána, piezorezistory, (integrovaný zesilovač): PTX 120 Procesní tlakoměr: HAT nebo proudová smyčka: Kapacitní STX 2100 esonanční snímač double fork Cressto, Druck, Yokogawa,

50

51 Měření velmi nízkých tlaků princip LVDT SCHAEVITZ

52 Piezorezistivní senzor tlaku KELLE SPECIFICATIONS (at 4 ma excitation) Pressure anges (FS Linearity Stability Operating Temperature ange Storage Temperature Temperature-Coefficients of - Zero (without Comp.) - Sensitivity 1-20 bar 0,25% FS typ. 1% FS max. 0,5 mv typ. 2 mv max C (optionally) C 0,05 mv/k typ. 0,2 mv/k max. 0,01%/K typ. 0,02%/K max.

53 ezonanční senzory tlaku Yokogawa DPharp

54 EPOM s parametry senzoru obvod pulsní šířkové modulace teplotní senzor budič snímač rezonance Yokogawa DPharp

55 Integrovaný tlakový senzor Pure CMOS based sensor calibrated to automotive specifications