Senzory mechanického kmitavého pohybu (vibrací)

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Senzory mechanického kmitavého pohybu (vibrací)"

Peter Kolář
před 7 lety
Počet zobrazení:

1 Senzory mechanického kmitavého pohybu (vibrací) - relativní senzor polohy + vnější vztažný bod často bezkontaktní - absolutní uvnitř vztažný bod + relativní senzor polohy elektrodynamický senzor vibrací (geofon) piezoelektrické (~) a kapacitní () akcelerometry v a Akcelerometry pro inerciální navigaci akcelerometry s elektromechanickou zpětnou vazbou (servoakcelerometry)

2 Absolutní senzory kmitavého pohybu k Měřený objekt seismická hmotnost m M b x(t) m - hmotnost k - tuhost pružiny b tlumení (viskozní) y(t) z(t) Pevný bod (event. myšlený) A Pohybová rce soustavy: Setrvačná síla d z m dt dx + b + kx dt z(t) x(t) + y(t) d x m dt přepoklad: řešení y(t) x(t) + b dx dt Tlumicí síla + kx Y(jω)e X(jω)e 0 d y m dt jωt j( ωt ϕ) Direktivní síla

3 Amplitudová charakteristika: Zanedbáme-li tlumení, rovnice se zjednoduší na d 0 y dt d x dt ω x y( t) y0 sinωt x( t) x0 sinωt ω y 0 sin ωt ω x0 sin ωt ω0 x0 sin ωt kde: x y 0 0 ω ω ω 0 B b kr ω 0 b b kr mω k m 0 - poměrné tlumení - kritické tlumení - rezonanční frekvence

4 Ψ <<,B < x ω y 0 0 /ω0 -amplituda x 0 přímo úměrná. derivaci y(t) -režim měření zrychlení -princip AKCELEROMETRU Ψ >> x(t) - y(t) a z(t)0 m je v klidu (seismická hmotnost) -režim měření amplitudy

5 Elektrodynamický senzor vibrací 5 3 y - snímací cívka 4 dy dt tlumicí vinutí 3 válcovitá část magnetic. obvodu 4 permanentní magnet y 5 - membrána - seismická hmotnost hmotnost cívky + hmotnost vinutí -viskóznítlumení tvořeno inkukovanými proudy ve vinutí - indukované napětí u Blv je úměrné rychlosti pohybu cívky - univerzálnost GEOFONY - užití: vibrace strojů, stavebních konstrukcí, střežení chráněných prostor - levné f r.. 00 Hz, m 0g.. 5 kg

6 Absolutní senzory zrychlení - Akcelerometry -měření zrychlení kmit. pohybu v širokém rozmezí kmitočtů > velká vlastní rezonanční frekvence - nejvhodnější - piezoelektrické snímání polohy seismic. hmotnosti vůči pouzdru senzoru velké k, malé m. Ale nefunguje - amplitudová frekvenční charakteristika: A[dB] 30 ω 0 k m 0 0 a pracovní oblast Frekvenční charakteristika piezoelektrického akcelerometru: a) ideální, b) skutečná 0 0 b 0,00 0,0 0, ω ω n

7 Piezoelektrický akcelerometr (~) Smyková deformace -zmenšení citlivosti na rušivé vlivy (deformace základny pouzdra, teplotní dilatace, akustické efekty) delta shear akcelerometr se smykovým namáháním: základna - segmenty 3 - trn 4 piezokeramické destičky - seismická hmotnost prstenec + segmenty - k tuhost piezokeramické elementy fa. Bruel -Kjaer Max g

9 Akcelerometr s kmitajícím nosníkem -vhodné pro mikromechanickou technologii R k m k - vetknutý nosník m - seismická hmotnost R M y(t)

10 Mikromechanický akcelerometr -taképro air bag systém - realizován plošnou mikromechanickou technologií 5 3 m 4 a U A U C U B NO U B R NS SD Z - základ destička z polykrystalického křemíku 0V U A U C 0V REF G MHz - pružné tětivy zakotvené na monokrystalickém křemíkovém substrátu -zuby hřebínku střední pohyblivá elektroda ADXL 0, ADXL 50.. Elektrostaticky kompenzované ADXL 0.. Dvouosý nekompenzovaný C DP

12 Senzory rychlosti pohybu - Derivace výstupního signálu senzoru polohy - Přímé měření: přímé měření rychlosti posuvného pohybu senzory úhlové rychlosti korelační princip měření relativní senzory zrychlení úhlového pohybu

13 Přímé měření rychlosti posuvného pohybu -typy. elektrodynamické ds dt - s pohyblivou cívkou - pracují na principu indukčního zákona: S u Blv J 3. elektromagnetické u(t) - s pohyblivým magnetem nebo částí mag. obvodu - pracují na principu Faradayova zákonu: dφ u N dt snímací cívka permanentní magnet feromagnetické těleso S J x(t)

14 Senzory úhlové rychlosti - tachometry stejnosměrné točivé stroje ω c ω c S J h U (NhrΦ) ω c U r N.. počet závitů - tachometry s více pólovými dvojicem tachodynama -umožňují indikaci směru otáčení -náhlé změny rychlosti přídavné chyby způsobené indukčností cívky -nutný komutátor tachoalternátory s rotujícími permanentními magnety: - vinutý stator - rotor s několika pólovými dvojicemi z permanentních magnetů - bez kartáčů

15 Impulsní senzory rychlosti: - vycházejí z definičních vztahů: v ds dt ω dϕ dt - jedná se o způsob detekce polohy značky: a), c) indukční senzor b) Wiegandův senzor d) Dvoustavové senzory polohy e) senzor na principu vířivých proudů f) optoelektronický senzor

16 Korelační princip měření rychlosti - vychází ze vztahu: v x t x - vzdálenost senzorů snímajících difúzní obraz světelného záření od náhodně rozložených nerovností na povrchu zkoumaného objektu - vzorky signálu:. senzoru s (nt ). senzoru s (nt V V ) - hledáme v záznamu s (nt ) opožděnou repliku. senzoru tj. - úloha se řeší hledáním zpoždění τ s (nt ) V V τ D N n [s (ntv ) s (ntv τ)] -střední kvadratická hodnota rozdílu -N počet vzorků

17 D N n s N N (ntv ) s τ + V τ n (ntv )s(ntv ) s (nt ) n - první a poslední člen odpovídají energii (proto jsou >0) D minimální, když. člen (číslicová verze korelace) je maximální tj. N R( τ) s(ntv )s(ntv τ) max n - rychlost určíme podle vzorce: v x τ max R (τ) S S x v τ max τ

18 Senzory pro inerciální navigaci -měření složek zrychlení ve 3 osách absolutními senzory zrychlení, pak dvojnásobná integrace výstup. signálů

20 Senzory pro inerciální navigaci -měření složek zrychlení ve 3 osách absolutními senzory zrychlení, pak dvojnásobná integrace výstup. signálů

22 Senzor úhlové rychlosti na principu Coriolisovy síly F m ω v r ω i v r V n R KD U v V d Z

-Dual Axis Angular Rate Sensor (Berkeley)

(SensoNor) bloky vibrující v protifázi (fork

23 -Dual Axis Angular Rate Sensor (Berkeley) kruhová konstrukce umožňuje simultánní -osé měření Min. /sec, 0Hz bandwidth -Butterfly-Gyro (SensoNor) bloky vibrující v protifázi (fork gyro) (menší offset a závislost na lin. vibracích) approximately 0. /sec at 50 Hz bandwidth

24 (YAZDI N., AYAZI F., NAJAFI K) (DELPHI INTELLEK) Gyroscopes with vibrating ring Scanning Electron Photomicrograph of thesensor

25 Optický vláknový gyroskop Ω Φ Φ Φ R ΩR n c R u R t + + π π ΩR n c R u R t + π π 4 4 n c ΩR R Ω n c ΩR ΩR n c R ΩR n c R t π π π π + Ω c n R t n c λ π λ π ϕ 8 c v n c v n c u + + +

26 Gyroskop s optickými vlákny Z zdroj D dělič svazku P polarizátor S kolimační optika F optický filtr FM fázový modulátor Sagnacův interferometr

27 4 3 Akcelerometry s elektromechanickou zpětnou vazbou (servoakcelerometry) k m x(t) 5 C Měřicí obvod kapacitního snímače b) Zesilovač u i 3 R k 6 M y(t) a) - elektrody pružné členy b) měřící obvod 3 - magnet 4 - cívka c) detail pružných členů Linearita 0.0 %, reprodukovatelnost 5*0-4 g pro FS 50 g, rozlišení µg c) Letadla Řízené střely Sklon vrtů

Podobné dokumenty

8. Senzory a převodníky pro měření otáček, rychlosti a zrychlení. Měření vibrací.

8. Senzory a převodníky pro měření otáček, rychlosti a zrychlení. Měření vibrací. přednášky A3B38SME Senzory a měření zdroje převzatých obrázků: pokud není uvedeno jinak, zdrojem je monografie Haasz, Sedláček: