Senzory síly a hmotnosti

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 tvar členu F ε přímý (intrinsický) vetknutý nosník pružný člen válec pružný rám převod na: náboj - piezoelektrické magnetické vlastnosti optické vlastnosti - OVS ohyb tah, tlak smyk krut ε druh deformace ε

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) R R 4 1 R 3 F L ε = σ E = M W o oe = FL W E o R 2 b h

měření smykového napětí F σ B τ měření větších sil -princip dvojitého nosníku R 1 F R 2 F R 1 R 2 R 3 R 4 R 3 R 4 F F pružný člen typu S

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

senzor s dutým válcem -velký ohybový moment -tenzory uvnitř chráněné -užití: zařízení pro vážení velkých objektů (vagóny, zásobníky, jeřáby, vážíci plošiny) pružný rám -nejlepší směrovost -složen z 4 tyčovitých spojek s pružnými závěsy a,b,c,d -vhodné pro uzavřené komory naplněné olejem hydraulický princip

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

systém s elektromechanickou zpětnou vazbou -pro vážení s velkou přesností -cívka vytváří kompenzační sílu F=BIl miska vahadlo diferenční kapacitní senzor silový člen S J střídavé napájení mostu výkonový zesilovač integrační zesilovač rozdílový zesilovač demodulátor

- vážení a hmotnostní bilance velkých zásobníků: -největší váha je uprostřed nádrže LC1 více dimenzován než ostatní LC2 LC5 LC1 LC3 LC4

Senzory síly s převodem deformace na polohu F jádro pružný člen LVDT

Senzory síly s převodem deformace na polohu F 120 110 100 115 90 80 30 40 60 20 10 105 95 85 55 45 50 65 25 75 70 15 5

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

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

- 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

- 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

- mechanické napětí působí na elektrody: 3 2 1 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

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 PbZRO 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

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

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

- obvody se zesilovači (tranzistory řízené polem FET, MISFET) snímač 1. napěťové s velkým vstupním odporem elektrometrické 2. nábojové - integrující kabel zesilovač + A=1 U 2 ( jω) R s C F F + - - + R K C K + přenos: a) b) impedanční konvertor neinvertující elektrometrický zesilovač pro piezoel. dvojče U jω) = A( jω) K( jω) U 2 ( 1 ( jω) = jωτ A( jω) 1 + jωτ Q( jω) C C - nevýhoda závislost výstupního napětí na C C

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

2. nábojové zesilovače i + u R g + C g du 2 = 0 dt i i R C a C C i o + - R g C g u 2 u 2 Z 1 = idt C ge g ( jω) = R g i = dq dt Zg ( jω) = 1 A Z u g 2 = ( jω) 1 + A Q C g u2 ( t) Q = C 0 g e t R g C g

Rozdílový nábojový zesilovač - uzemnění pouzdra senzoru a vstupu zesilovače může vyvolat rušení průtokem zemnících proudů náprava rozdílový zesilovač senzor pouzdro stínění C - + R C R u V U Z + - -triboelektrické jevy: - rušení u koax. kabelu vzniká třením vnitřního vodiče o izolaci

Piezoelektrické senzory síly T P

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

3. Rezonanční senzory sil např. jeřáby 4. Senzory síly na fotoelastickém principu -vznik dvojlomu při působní mechanického napětí -rychlost světla se mění vzhledem k směru hlavních napětí a současně k rozdílu mezi hlavními napětími - pozoruje se obrazec tmavých a světlých oblastí užití CCD senzoru

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

Nepřímá měření = určení momentu měřením příčin vzniku nebo účinků př. elektrické motory (podobně se dá postupovat u pneumatických a hydraulických akčních členů): M = ki a i b nevýhoda této metody nerespektují se ztráty během přenosu momentu k zátěži Účinky kroutícího momentu vhodné pro transdukci úhlové zrychlení gyroskopické senzory deformace reakční síly dynamometry mechanické napětí odporové tenzometry poloha, úhel indukčnostně kapacitně opticky piezoelektrický náboj monokrystal piezofilm (PVDF) magnetické vlastnosti reluktance magnetoanizotropie Wiedmanův jev

1. senzory s odporovými tenzometry -měří deformaci hřídele mezi motorem a zátěží nebo deformaci vloženého torzního pružného členu deformace: M k r ε = M G - modul pružnosti ve smyku 2GJ křížový pružný člen pro kroutící moment prstencový pružný člen pro kroutící moment A připojeno k pohonu M k a) - snadné lepení tenzometrů A b) připojeno k zátěži

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

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

3. Magnetické senzory momentu Torductor (ABB)

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 vyloučenírušení omezit počet sběrných kontaktů na 2 a na hřídel umístnit převodník R/I - speciální napájení transformátorovou vazbou 2 M k - prstenec 2 převod výstup. u můstku na frekvenci pulsů M k

Rotating Torquemeters - S.Himmelstein