Senzory síly a kroutícího momentu

Transkript

1 Senzory síy a kroutícího momentu Zadání 1. Seznamte se s fyzikáními principy a funkčností tenzometrů, inkrementáního optoeektronického senzoru otočení a senzoru FSR. 2. Změřte závisost odporu FSR senzoru na hmotnosti (síe) v rozsahu 0,5 kg až 2,5 kg. Jako zátěž použijte dostupná závaží. Závisost zakresete do grafu. Vyzkoušejte viv poohy závaží na senzoru a opakovatenost měření. 3. Na tenzometrických vahách změřte hmotnost dostupných závaží v rozsahu 0,5 kg až 3 kg. Z údajů v programu určete jaká je kidová hodnota napětí na diagonáe můstku (offset) a jaká je jeho citivost (změna na jednotku hmotnosti). Napájecí napětí můstku je 2,5 V. 4. Změřte kroutící moment a úhe natočení oceové tyče kruhového průřezu (ČSN 10340). Měření proveďte pro 5 různých momentů. 5. Moment měřte tenzometrickým můstkem naepeným na tyči a optickým inkrementáním snímačem. Z naměřených momentů a úhů vypočtěte modu pružnosti ve smyku použitého materiáu. Senzory zaožené na změně odporu vivem síy FSR FSR (Force Sensing Resistor) pracuje na principu změny eektrického odporu v závisosti na apikované síe. Jedná se o vrstvu poymerního materiáu, který je pněn vodivými částečkami. Stačováním dochází ke styku jednotivých vodivých mikročástic a tím se snižuje eektrický odpor. Senzory neopývají příiš vekou přesností, řádově jednotky %, takže nejsou vhodné tam, kde je potřeba měřit síu přesně. Jejich obrovskou výhodou je jejich veikost a cena. Senzory se vyrábějí jako vemi tenké pátky (zomky mm) a také není probém je integrovat na vekou pochu. FSR se vemi často používají tam, kde je potřeba odišit, zda v daném místě působí či nepůsobí sía a případně odhadnout její veikost. Napříkad v automobiech jako detekce osob na sedačkách, detekce zapnutí bezpečnostního pásu apod. Dáe pak jako taktiní senzory pro robotické ruce nebo jako inteigentní povrch (koberec) pro detekci přítomnosti osob případně detekce pádu osoby. Obr. 1 FSR příkad použití v aboratoři 1. Zapněte mutimetr a nastavte ho do režimu měření eektrického odporu. 2. Připojte senzor FSR

2 3. Postupně umísťujte na pošku závaží v rozsahu 0,5 kg až 2,5 kg a odečítejte hodnoty odporu. 4. Vyneste do grafu závisost odporu na apikované síe a zkuste rozhodnout, ve které obasti této závisosti by se mě daný senzor používat. 5. Vyzkoušejte opakovatenost měření. Aespoň 5x střídavě změřte reakci na nejmenší a největší závaží. Určete, jaké jsou reativní odchyky. Tenzometrický senzor mechanického napětí Odporové tenzometry pracují na principu změny eektrického odporu vodiče, který je podroben deformaci tahem nebo takem. Při působení síy na vodič dochází k změně jeho déky, zároveň také ke změně jeho průřezu S a částečně také k mikrostrukturáním změnám a tím i ke změnám rezistivity ρ. Odpor vodiče je dán vztahem: R = ρ (1) S Reativní změna odporu je pak dána totáním diferenciáem a ze ji popsat vztahem: R S ρ = + (2) R S ρ Na zákadě teorie pružnosti ze změnu průřezu S vyjádřit dékovou deformací. Pro tenzometry se vybírají materiáy, které vykazují minimání mikrostrukturání změny, a proto ze změny rezistivity zanedbat. Výsedný součinite deformační citivosti je pak dán vztahem: R = R = 1+ 2µ (3) kde µ je Poissonova konstanta udávající poměr podéné a příčné deformace. Odporové tenzometry jsou vyráběny z kovových sitin s hodnotou 2 a mají minimání tepotní součinite odporu. Drátkové odporové tenzometry se moc nepoužívají a nejvíce rozšířené tenzometry jsou fóiové. Ty jsou vyráběny z kovových fóií, které jsou upevněny na izoační podožky, které se pak epí na měřený objekt. Obecně ze říci, že dékové změny tenzometrů jsou veice maé (doporučuje se nepoužívat změny větší jak 0,3%). Pak i odporové změny jsou vemi maé. Z toho důvodu se vemi často používá více stejných tenzometrů zapojených do můstků tak, aby dva protiehé tenzometry byy podrobovány stejným změnám a ostatní změnám opačným. Pokud hrozí, že měřený objekt bude vystaven také tepotním změnám, používají se dva tenzometry z můstku jako kompenzační, na které nepůsobí žádná deformace. Pak změna jejich odporu je dána pouze změnou tepoty a může tak kompenzovat tepotní závisosti zbývajících tenzometrů. Tenzometrické váhy v aboratoři se skádají z vetknutého nosníku, na jehož zesabeném konci je naepena čtveřice tenzometrů zapojených do můstku dva na horní a dva na spodní straně. Na druhém konci je upevněn háček, na který se věší měřená závaží. Buzení tenzometrického můstku, stejně tak jako měření diagonáního napětí obstarává modu SG-140 průmysového systému Compact FiedPoint od firmy Nationa Instruments

3 tenzometrický můstek břit na zavěšení závaží Obr. 2 Tenzometrické váhy 1. systému Compact FiedPoint připojte přípravek tenzometrických vah a na poše PC spusťte program Váhy. 2. Proveďte kaibraci systému. Nejprve proveďte měření bez jakékoiv zátěže aibrace 0 kg. Poté zavěste na háček závaží o hmotnosti 1kg a stiskněte tačítko aibrace 1 kg. 3. Změřte všechna dostupná závaží a jejich kombinace v rozsahu 0,5 kg až 3 kg. 4. Vyberte si jedno závaží a změřte jeho hodnotu 10x. Pozorujte viv šumu. Vypočítejte střední hodnotu těchto měření a nejvyšší reativní odchyku. 5. Z hodnot zobrazených v programu určete jaká je kidová hodnota na diagonáe můstku bez zatížení (offset) a o koik se napětí změní při zavěšení 1kg. 6. Vypočítejte, jaké napětí musí karta zpracovávat, když napájecí napětí můstku je 2,5 V. Optický inkrementání senzor poohy Jedná se o optický senzor otočení. Zákadem je otočný kotouček, na jehož obvodu jsou rovnoměrně naneseny průsvitné a neprůsvitné značky. Na jedné straně kotoučku je zdroj světeného záření a na druhé detektor. Otáčením kotoučku generuje detektor obdéníkový signá, který odpovídá průchodu značek. Čítáním pusů je možné zjistit úhe otočení kotoučku. Takto jednoduchý princip však nedává žádnou informaci o směru otáčení. Pro rozišení směru, je nutné použít druhý detektor, který je oproti prvnímu posunut o poovinu šířky značky. Pak signá z tohoto detektoru je fázově posunut o 90 oproti prvnímu. Směr se potom roziší pode toho, kterým detektorem první projde náběžná nebo sestupná hrana. Zjednodušený nákres senzoru je na Obr. 3. směr otáčení změna směru směr otáčení zdroj světa detektory kotouček se značkami (otvory) Obr. 3 Princip optického inkrementáního senzoru detekce hrany (rozišení) Někdy je možné se setkat s kotoučky, kde na obvodu kotoučku jsou dvě řady značek, mechanicky posunuté o poovinu jejich šířky. aždá řada je pak pro jeden zdroj-detektor. Většina optických inkrementáních senzorů je vybavena ještě třetím detektorem, který detekuje jedinou značku na obvodu a tím je možno stanovit referenční hodnotu. Rozišení inkrementáního senzoru je pak dané počtem značek. Tím, že se využijí dva posunuté - 3 -

4 detektory se rozišení zdvojnásobí. Dašího zdvojnásobení rozišení je možné dosáhnout detekcí každé hrany (nejen pusu) náběžné a sestupné. V aboratoři je použit inkrementání senzor s 2500 impusy na otáčku v každém kanáu. Pokud se tedy použijí všechny hrany, pak ze dosáhnout rozišení: 360 = = 0,036 (4) kanáy 2 hrany ( ) ( ) S principem optoeektronického inkrementáního senzoru se ze setkat ve starších PC myších s kuičkou, kde jsou tyto senzory dva, v každé ose pohybivosti jeden. Měření krouticího momentu Pro měření krouticího momentu se v aboratoři používá přípravek s oceovou tyčí kruhového průřezu ( r = 5 mm ) a déky = 500 mm, na které je upevněno rameno déky R = 210 mm. routicí moment se vyvoává zavěšením závaží známé hmotnosti m na háček na konci ramena. routicí moment ze pak vypočíst ze vztahu: M = m g R (N m) (5) 2 kde g = 9,81 ms je tíhové zrychení. routicí moment se měří tenzometrickým můstkem ze 4 fóiových tenzometrů, přiepených na tyči tak, aby měřiy smykové napětí. Daší metodou jak vypočíst krouticí moment je změřit úhe natočení ϕ oceové tyče v místě apikace momentu. tomu souží optický inkrementání senzor. Při znaosti moduu pružnosti ve smyku G použitého materiáu pak ze využít vztah: G J p M = ϕ (6) 4 πr kde J p = (m 4 ) je poární kvadratický moment kruhového průřezu. 2 optoeektronický inkrementání snímač rameno vytvářející krouticí moment závěs pro závaží oceová tyč tenzometrický můstek Obr. 4 Přípravek pro měření krouticího momentu 1. systému Compact FiedPoint připojte přípravek pro měření kroutícího momentu a na poše PC spusťte program routicí moment. 2. Proveďte kaibraci systému. Nejprve proveďte měření bez jakékoiv zátěže aibrace 0 kg. Poté zavěste na háček závaží o hmotnosti 1 kg a stiskněte tačítko aibrace 1 kg. 3. Postupně zavěšujte na rameno závaží od 0,5 kg do 3 kg

5 4. V programu nastavte aktuání hodnotu závaží pro výpočet teoretického momentu, který závaží v dané konfiguraci vyvoá. 5. Poté spusťte měření a zaznamenejte hodnoty krouticího momentu včetně reativních odchyek obou metod (tenzometricky a z úhu natočení) a také úhe natočení. 6. Pozorujte značné navýšení reativní chyby měření krouticího momentu z úhu natočení pro vyšší hodnoty závaží. Pokuste se vysvětit vznik těchto chyb, pokud víte, že použitý inkrementání senzor má reativní chybu cca 0,01% (odvození viz [2]). 7. Z naměřených údajů vypočítejte modu pružnosti ve smyku G použité oceové tyče. Literatura [1] Ďaďo, S., reid, M.: Senzory a měřicí obvody, Vydavateství ČVUT, 1996, ISBN [2] Pati, A., Ripka, P.: Senzory a převodníky aboratorní cvičení, Vydavateství ČVUT, 2004, ISBN