1 SENZORY SÍLY, TLAKU A HMOTNOSTI Senzory používající ve většině případů princip převodu síly, tlaku a tíhy na deformaci. Využívají fyzikálních účinků síly. Časově proměnná síla vyvolá zrychlení a hmotnosti m. Znamená to, že F(t) = m.a. Jednotkou síly je 1 N síla udílející hmotě 1 kg zrychlení 1 ms 2. Tlak je síla působící kolmo na jednotku plochy p = F/ S [ Pa, N/m 2 ]. Jednotkou tlaku je pascal (Pa) je to tlak, který vytvoří síla 1 N působící na plochu 1 m 2 (1 Pa = 1 N.m 2 ). Vzhledem k tomu, že je to velmi malá jednotka, používají se další jednotky např. 1 bar = 105 Pa. Při určování hmotnosti břemene m, na které působí tíhové zrychlení g, vycházíme ze vztahu F = G = m.g. Senzory síly a tlaku jsou konstruovány na stejném principu. Jednotlivá provedení senzorů se liší podle: měřícího rozsahu, požadované přesnosti, frekvenčního rozsahu, přípustných rozměrů. Velmi často se využívají kovové fóliové tenzometry v můstkovém zapojení. Pro měření síly v rozsahu od zlomků newtonu po desítky kilonewtonů se používají POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY. Při měření mechanického napětí se využívá závislost tenzometru na deformaci. Používá se celá řada tenzometrických principů. Nejčastěji se jedná o: tenzometry kapacitní, tenzometry rezonanční, tenzometry s metastabilními magnetickými slitinami, tenzometry odporové. PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 1 / 8
1.1 ODPOROVÉ TENZOMETRY Tenzometry mění ohmický odpor, jsou-li vystaveny mechanické deformaci způsobené měřenou veličinou. Použití: Měření deformace, změny rozměru části stroje, konstrukce budov aj. Uplatňují se v senzorech mechanických veličin. Odporové tenzometry se vyrábějí ve dvou základních provedeních: ODPOROVÉ TENZOMETRY KOVOVÉ POLOVODIČOVÉ 1.1.1 KOVOVÉ TENZOMETRY PRINCIP Změna ohmického odporu je způsobena změnou průřezu drátku (fólie), měřicí mřížky a její délky. Mřížka kovového tenzometrů sleduje deformaci měřeného povrchu, s nímž je spojena. KONSTRUKCE Měřicí mřížky kovových tenzometrů jsou nejčastěji vinuty ze slabého konstantanového drátku, nebo jsou leptány z konstantanové fólie. Zpravidla jsou přitmeleny k papírové podložce. Vedle tenzometrů pro měření povrchové deformace v tahu a tlaku v určeném směru jsou vyráběny tenzometry s mřížkami vzájemně pootočenými o 45 určené k měření povrchové deformace, např. hřídelů zatěžovaných kroutícím momentem. Základní provedení fóliových měřicích mřížek kovových tenzometrů: Fóliové mřížky kovových tenzometrů pro měření deformací v tahu a tlaku a) deformací v rovině b) krouticího momentu c) torzní povrchové deformace PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 2 / 8
Použití: Všude, kde je vyžadována velká přesnost, měření povrchových deformací kriticky namáhaných součástek. Tenzometry určené pro přesná měření jsou zapojovány do můstkových obvodů. 1.1.2 POLOVODIČOVÉ TENZOMETRY PRINCIP Změna hodnoty je způsobena především změnou jejího měrného odporu. Využívá se piezorezistivní jev. Tyčinka polovodičového tenzometru sleduje deformaci měřeného povrchu, s nímž je spojena. KONSTRUKCE Vyráběny z křemíku ve tvaru tyčinek s vhodnou krystalografickou orientací jejich podélné měřicí osy. Nejčastěji jsou dotovány bórem nebo aluminiem a vykazují vodivost typu P ohmický odpor s tahovým napětím vzrůstá, u polovodičů typu N naopak klesá. Velikost odporu R je určena konstrukčním provedením a tvarem tenzometrů. POUŽITÍ Všude kde je vyžadovaná vysoká citlivost 60x větší než u kovových tenzometrů. Výhradně v senzorech mechanických veličin. Konstrukce senzorů (síly, kroutícího momentu, dráhy, tlaku, zrychlení a výjimečně poměrné deformace v extenzometrech) velmi malých rozměrů s vysokou tuhostí jejich měřicích členů. Při aplikaci polovodičových tenzometrů je nutno vždy teplotní závislost kompenzovat vhodným zapojením měřícího můstku nebo pomocným obvodem. Citlivost měření, potlačení nelinearity snímače lze upravit vhodným umístěním tenzometrů na zařízení a vhodným uspořádáním tenzometrů do měřicího můstku. Tenzometry RS a RM s R 1 a R 2 tvoří poloviční můstek (dva tenzometry) PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 3 / 8
PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 4 / 8
1.2 DEFORMAČNÍ ČLENY Podle činnosti rozdělujeme senzory síly a tlaku na: Přímé deformaci způsobenou silou detekujeme pomocí principu: piezoelektrického, optického, magnetického, odporového. Nepřímé deformační člen (membrána, vlnovec, nosník aj.) převádí deformaci (tah, tlak, smyk aj.) na změnu polohy nebo mechanického napětí. PRINCIP MĚŘENÍ POMOCÍ SILOMĚRNÉHO ČLENU Siloměrný člen je tvořen vetknutým nosníkem, na kterém jsou nalepeny tenzometry. Nosník je namáhán v oblasti pružných deformací silou, působící na volný konec. Nosník s tenzometry Membrána Vlivem pružné deformace jsou povrchová vlákna nosníku namáhána na straně působící síly F tahem a na straně odvrácené tlakem. Tenzometr A se natahuje a tenzometr B se smršťuje. Zapojením tenzometrů do různých větví můstku dochází ke zvýšení citlivosti měření a současně ke kompenzaci teplotní závislosti odporu. Pro nejpřesnější laboratorní měření hmotnosti v rozsahu gramů až stovek gramů se nejčastěji používají čidla kapacitní, využívající vláknovou optiku nebo piezorezistivní. PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 5 / 8
1.3 PIEZOELEKTRICKÉ SENZORY PRINCIP MĚŘENÍ Založen na tzv. piezoelektrickém jevu. Působením mechanických deformací dojde ke vzniku elektrického náboje jedná se o reciproký děj přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Tyto vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a olovnatý, některé makromolekulami látky a jiné. V praxi se nejčastěji využívá vlastností Si0 2 a BaTiO 3. Podélný piezoelektrický jev na křemennou destičku působí rovnoměrně rozložená síla Fx ve směru elektrické osy X, velikost náboje Q nezávisí na rozměrech krystalového výbrusu. Příčný piezoelektrický jev na krystal působí síla Fy ve směru mechanické osy Y, na plochách kolmých na elektrickou osu vynikají náboje, směr polariyačního vektoru je ale záporný, velikost náboje Q závisí na geometrických rozměrech krystalu. Použití: Pro měření dynamických tlaků od frekvencí např. Výhody: Miniaturní rozměry, jednoduchost, měření v nejširším frekvenčním rozsahu, např. do 100 khz. Řez konstrukcí piezoelektrického senzoru PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 6 / 8
1.4 KAPACITNÍ SENZORY PRINCIP MĚŘENÍ Pro měření tlaku je využit kapacitní snímač, u kterého dochází ke změně vzdálenosti mezi elektrodami. Základem senzoru je dvou- nebo několikaelektrodový systém jeho parametry se mění v důsledku působení měřené neelektrické veličiny. Jedna elektroda je pevná, druhá je tvořena membránou. Změna kapacity (citlivosti) bude největší při malých vzdálenostech elektrod d. Změnu kapacity lze způsobit změnou plochy S elektrod, vzdáleností elektrod d nebo změnou dielektrika (relativní permitivity ε r ). Kapacitní senzor tlaku PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 7 / 8
1.5 OPTOELEKTRONICKÉ VLÁKNOVÉ SENZORY (OVS) PRINCIP MĚŘENÍ Při měření tlaku a síly se využívá čidel, jejichž princip vychází z útlumu světelného paprsku Q procházejícího optickým vláknem. Útlum zvětšíme deformací vlákna pomocí hřebínku nebo změnou polohy reflexní membrány. Další možností je změna překrytí dvou vláken. Překrytí vláken pomocí clony Vláknový senzor a) deformační hřebínek b) změna polohy clony 1.6 SENZORY MOMENTU SÍLY Použití: Měření momentu síly (krouticího momentu) v souvislosti s přenosem mechanické energie a při určování výkonu strojů v oblasti strojírenství. PRINCIP MĚŘENÍ Pro měření momentu síly (krouticího momentu) se využívá deformačních členů nejčastěji hřídele s kruhovým průřezem. Tento měřící člen je během měření namáhán momentem síly. Vzniklou deformaci hřídele měříme pomocí tenzometrů nebo snímačem výchylky. Poznámka: Moment síly je vektorová fyzikální veličina a je roven vektorovému součinu vzdálenosti d od osy otáčení a působící síly F. Velikost momentu síly se určí ze vztahu: M = F.d.sinα α úhel, který svírá síla F se vzdáleností d od osy otáčení. Vektor momentu síly leží v ose otáčení M = F.d. Orientace se určí pravidlem pravé ruky (pravotočivého šroubu). Jednotkou momentu síly je newtonmetr (N.m). Newtonmetr je moment síly 1 newtonu. PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 8 / 8
Jako měřícího deformačního členu senzorů momentu síly se nejčastěji využívá: deformace hřídele, změny magnetických vlastností hřídele. Senzor může obsahovat měřicí hřídel nebo se připojuje k hřídeli měřeného stroje. Pro měření se využívají principy: nepřímé přímé moment síly se určí z naměřených hodnot poháněného elektromotoru - proudu, napětí a rychlosti otáčení, odporové, magneto-elastické, indukčnostní a kapacitní. ODPOROVÝ PRINCIP měření momentu síly Senzor pracující na odporovém principu využívá tenzometry. Jako deformačního prvku se používá hřídel. Na jeho povrchu jsou ve směru maximálních smykových napětí (pod úhlem 45 vzhledem k ose hřídele) nalepeny odporové tenzometry, vytvářející celý můstek. Při měření je nutno vyloučit vliv ohybových a tahových napětí. Princip senzoru momentu síly s odporovými tenzometry 1 hřídel, 2 kryt, 3 sběrací kroužky, 4 sběrače, 5 svorkovnice Na měřicí části hřídele 1 jsou do můstku nalepeny odporové tenzometry. Signál z měřicích a napájecích bodů můstku je veden přes sběrací kroužky 3 a sběrače 4 na svorkovnici 5 na statorové části. Celý snímač je uzavřen krytem 2. Z důvodu zamezení opotřebení sběračů v době, kdy se neměří, je možno sběrače od kroužků odklonit pákovým mechanismem. PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 9 / 9
PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku hmotnosti 10 / 10