Generátorové senzory • Termoelektrický článek • Piezoelektrické senzory • Indukční senzory
Obecné vlastnosti termoelektrických článků • využívá Seebeckova efektu • vodivé spojení dvou různých vodivých materiálů A a B • “horký” konec s teplotou T1 • “studený” konec o teplotě T0
U EM = (α A − α B ).(T1 − T0 ) − 0.5( β A − β B )(T1 − T0 ) 2
U EM = (α A − α B ).(T1 − T0 ) = α A / B (T1 − T0 )
Normalizované termoelektrické články Typ
Materiály
Roz sah [°C]
Ut [µV/°C]
E
Chromel / Konstantan
-200 ÷ + 900
70
J
Fe / Konstantan
-200 ÷ +750
56
K
Chromel / Alumel
-50 ÷ +1250
41
R
Pt / Pt+Rh
0 ÷ +1450
11
S
Pt / Pt+Rh
0 ÷ +1450
6
T
Cu / Konstantan
-200 ÷ +350
42
• typická přesnost termočlánku je kolem ± 1°C • hodnoty napětí v celém teplotním rozsahu lze nalézt v normách ČSN včetně aproximačního polynomu
Parazitních vlivů u termočlánků • chyby měřícího spoje – jedná se o chyby vzniklé mechanickým poškozením, stárnutím termočlánku (oxidace, koroze) apod. • chyba srovnávacího spoje – kompenzuje se buď konstantní teplotou srovnávacího spoje nebo elektricky kompenzací parazitního termoelektrického napětí, elektrická kompenzace je aktivní nebo pasivní
Kompenzace termočlánku • pokud se nebude teplota T0 udržovat na konstantní hodnotě, vznikne chyba údaje • můstek napájený ze stabilizovaného zdroje, s jedním teplotně závislým rezistorem • měření teploty studného konce ⇒ kompenzace termoelektrického napětí, integrované obvody (Analog Devices, Linear Technology)
Zapojení kompenzačního obvodu termočlánku • převodní konstanta 10 mV/°C • pro J,K, po přenastavení S,R články • lineární aproximace přesnost ±3% do 400°C
Tenkovrstvé termočlánky • není možné použít běžné substráty jako Si nebo korund – zeslabení substrátu v místě spoje • na dilektrickou vrstvu SiO2 je naprašováním vytvořen ohřevný element z Ni-Cr a napařováním 100 bifilárních termočlánků z Cu/CuNi nebo Bi/Sb
Tenkovrstvé termočlánky • Materiály používané v TNV technologii
kov (materiál) Značka Ut [mV/100°C] Bizmut Bi -5,2 Konstantan -3,47 Platina Pt 0 Niklchrom NiCr +2,20 Křemík Si +44,08 Telur Te +50
Tlustovrstvé termočlánky • používají dvou různých vodivých past formovaných do přechodu ze dvou různých materiálů • generované elektromotorické napětí (EMF) se stanovuje experimentálně • vrstvový planární termočlánek tvořený sérií termopárů
Tlustovrstvé termočlánky • Příklady sítotiskových past jejichž kombinací lze vytvořit termočlánek Kombinace past AgPd ESL 9635 ESL 2812 (100 Ω/ ) AuPd ESL 6835A ESL 2812 (100 Ω / ) AgPd ESL 9635 ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A ESL 2811 (10 Ω / ) AuPd ESL 6835A Ag DP 6320 AgPd ESL 9635 Ag DP 6320
Průměrné naměřené EMF na přechodu [µV/°C] 18,9 16,2 15,2 13,3 9,4 8,0
Generátorové senzory • Termoelektrický článek • Piezoelektrické senzory • Indukční senzory
Piezoelektrický jev • Fyzikální jev, při němž mechanická deformace krystalu některých krystalických dielektrických látek způsobí dipólový elektrický moment objemového elementu. ⇒Elektrické momenty všech objemových elementů způsobí polarizaci krystalu. Hodnota elektrické polarizace je číselně rovna fiktivnímu vázanému náboji na jednotkové ploše povrchu, který je kolmý ke směru vektoru polarizace. ⇒Po přiložení elektrod k povrchu krystalu vzniknou indukcí na těchto vodivých elektrodách volné náboje.
Vznik náboje • Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu. • Krystal má tři osy, v jejichž směru může být mechanicky namáhán. • Elektrický náboj vzniká jen na stěnách kolmých k elektrické ose krystalu.
Podélný a příčný jev • Podélný elektrický jev vzniká působením síly Fx ve směru elektrické osy x. Velikost náboje na stěně kolmé k elektrické ose je podle definice elektrické polarizace dána vztahem Qe = Pe S x = k p Fx • Příčný elektrický jev vzniká působením síly Fy ve směru mechanické osy y. Vektor polarizace působí rovněž rovnoběžně s osou x, ale má opačný směr. Qe = Pe S x = −k p
Fy S x Sy
b = − k p Fy a
Náhradní model • velikost náboje na elektrodách je závislá na geometrických rozměrech. Výbrus s polepy představuje i kapacitor s kapacitou C. Pro velikost napětí lze psát Qe k p Fx a U= = = k p Fx = ku Fx ε 0ε r S x C C
• náhradní model vrstvy (krystalu, výbrusu)
Piezoelektrický senzory • •
• •
Kapacita C0 je dána geometrickou kapacitou mezi polepy výbrusu, odpor R0 je svodový odpor výbrusu. Nebude-li uvažována vlastní sériová rezonance, bude při polarizaci výbrusu náhradní schéma obsahovat pouze C0 a R 0. Kmitočet deformační měřené veličiny (síly) musí být nižší než je vlastní kmitočet výbrusu. Piezoelektrické snímače se používají do kmitočtu 105 Hz.
Piezoelektrika • • • • •
seignettova sůl NaKC4H4O6 . 4H2O křemen SiO2 titaničitan barnatý BaTiO3 zirkoničitan olovnatý PbZrO3 titaničitan zirkonioolovnatý PbZrTiO5 (PZT) V měřicích zapojeních s piezoelektrickými snímači se jako vyhodnocovacích obvodů používá zesilovačů s tranzistory řízenými polem a nábojových zesilovačů. U některých snímačů je unipolární tranzistor jako impedanční oddělovač umístěn přímo v pouzdru snímače. Stejnosměrné napájecí napětí se přivádí přímo měřicím kabelem.
Příklady piezoelektrických senzorů
Tlustovrstvý piezoelektrický senzor • PZT prášek je smíchán se skelnou fritou • AgPd elektrody • topný element udržuje pracovní teplotu na 45°C ⇒ zamezení teplotním driftům rezonančního kmitočtu • fázovým závěs pro oscilátor 7.16 MHz – vstup přepínán ze všech čtyřech senzorů. • hmotnostní citlivost 510 Hz/µg, rozlišení 40ng.
Piezoelektrický jazýček • • • •
PZT vrstva (spin-coating) hřebínkové elektrody 13.9 kHz citlivost 5.14 pC/ µm
Generátorové senzory • Termoelektrický článek • Piezoelektrické senzory • Indukční senzory
Indukce napětí • změna měřené neelektrické veličiny se převádí na změnu magnetického toku Φ budicího obvodu, která vyvolá ve snímací cívce indukované napětí: dΦ u = −Nz dt • měřená neelektrická veličina může působit buď na rychlost změny magnetického toku spojeného s Nz závity pevné cívky nebo při stálém toku měnit počet závitů cívky, které jsou v daném časovém okamžiku vázány s magnetickým tokem. Indukční senzory lze z tohoto důvodu rozdělit na elektromagnetické a elektrodynamické.
Princip snímání rychlosti d ⎛ y⎞ Rm = • Magnetický odpor ⎜1 + ⎟ µ0 S ⎝ d ⎠ dy v= rychlost dt
y << 1 d
N z µ 0U m S u=v d2
Senzor polohy • Pohyb jezdce tvořený cívkou mezi pernamentními magnety • v malém rozsahu lineární mag. pole senzoru
X
N S nemagnetický substrát
S N 0
Vibrační elektromagnetické snímače • mechanická soustava (struna, nosník) je elektromagnetickým obvodem rozkmitána do rezonance a měřenou neelektrickou veličinou se mění rezonanční kmitočet mechanického článku • rezonanční kmitočet je měřen pomocí elektromagnetického obvodu, umístěného v blízkosti mechanické soustavy • pro měření tlakových a tahových sil, tlaků, deformací, teploty, krouticího momentu a zrychlení
Elektrodynamické senzory • využití Faradayova indukčního zákona • rychlost pohybu vodiče ve směru kolmém na magnetické siločáry • v magnetickém poli se rychlostí v pohybuje elektricky vodivý pás o šířce l, je-li b > l, mezi body 1 a 2 naměříme napětí
U = B la v
• a) v řešení se sběračem
b) bez sběrače
Elektrodynamické senzory • Pohybem vodivého pásu v magnetickém poli se v něm indukují vířivé proudy, které vybudí pohybující se magnetický tok a ten indukuje ve snímací cívce napětí dv u = KB dt • Napětí je úměrné zrychlení přímočarého pohybu. Pro vytvoření napětí je třeba velké magnetické indukce B a vznikající velké vířivé proudy zahřívají vodivý pás. • Pro měření parametrů přímočarého pohybu, vibrací a úhlové rychlosti (tachodynama a tachogenerátory), indikační průtokoměry vodivých kapalin.
Miniaturní indukční senzor • • • •
obsahuje dvě cívky pro měření opotřebení ložisek malých mezer senzor zrychlení
