1 SENZORY SÍLY, TLAKU A HMOTNOSTI

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 ms2. Tlak je síla působící kolmo na jednotku plochy p = F/ S [ Pa, N/m2]. Jednotkou tlaku je pascal (Pa) → je to tlak, který vytvoří síla 1 N působící na plochu 1 m2 (1 Pa = 1 N.m2). 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:

KOVOVÉ

ODPOROVÉ TENZOMETRY 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:

1.1.2

Všude, kde je vyžadována velká přesnost, měření povrchových deformací kriticky namáhaných součástek. Tenzometry určené pro přesná měření jsou zapojovány do můstkových obvodů.

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 R1 a R2 tvoří poloviční můstek (dva tenzometry) PRI-Mn-S-12_senzory_sily tlaku

hmotnosti

3 / 8


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.


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 Si02 a BaTiO3. 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


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 εr).

Kapacitní senzor 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

1.6

Vláknový senzor a) deformační hřebínek b) změna polohy clony

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.


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.


hmotnosti

9 / 9


hmotnosti

10 / 10

1 SENZORY SÍLY, TLAKU A HMOTNOSTI

Recommend Documents