Mérés nyúlásmérő bélyegekkel, adatgyűjtés Spider 8 – CATMAN rendszerrel Mérésadatgyűjtés és Jelfeldolgozás 6. ELŐADÁS Schiffer Ádám Egyetemi adjunktus
MEGNYÚLÁS definíció és mérési módszerek
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
2
Nyúlásmérő bélyegek (SG-Strain Gauges) mérés alapjai Nyúlás: mértékegysége: mm/m vagy um/m
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
3
Az első SG (Ruge, 1938)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
4
SG nyúlásmérés alapja
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
5
SG nyúlásmérés alapja
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
6
SG nyúlásmérés alapja
Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ!
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
7
Rugalmas anyagok HOOKE törvény: Rugalmas anyagok esetén (ha ezt kisméretű rugónak fogjuk fel) ennek megnyúlása (fajlagos megnyúlása) egyenesen arányos a benne ébredő σ mechanikai feszültséggel és fordítottan arányos az E rugalmassági modulussal:
σ=E ε 2008.04.08.
PTE PMMK MIT
8
Rugalmas anyagok mechanikai erő
maradandó alakvátozás
szakadás
rugalmasság határa Rugalas szakasz, Hooke törvény érvényesül megnyúlás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
9
SG – Alkalmazási területek
Méréstartomány: Hőmérséklettartomány: Bizonytalanság: 1-3%
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
10
SG Geometriák
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
11
Wheatstone hídkapcsolás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
12
Nyúlásmérő bélyegek felhelyezése
Általános eljárások:
ragasztás forrasztással (ritka)
Bélyegek hozzá kell erősíteni a mérendő anyaghoz, úgy hogy az semmilyen módon ne változzon meg Különféle speciális ragasztókkal (alkalmazásokhoz megfelelően)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
13
ERŐMÉRÉS alapok, észrevételek
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
14
Erő számítása
F – erő (N) m – tömeg (kg) a – gyorsulás (m/s2)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
15
Erő mennyiségi mérése
Nyúlásmérő bélyegekkel (SG) ekkor az ellenállás változik a terhelés hatására
Piezo kristállyal Töltés mennyisége változik a terhelés hatására
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
16
Erőmérés alapelvek
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
17
Erőmérés alapelvek
Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ!
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
R – vezeték ellenállása ε – nyúlás k – bélyeg érzékenységi faktora
18
Erő mérése Dupla mérlegkaros
Cilinder F erő
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
19
Erő mérése Diafragma F erő
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
20
Sajátfrekvencia - rezgéstípusok Rezgéstípusok: Szabad rezgés alakul ki, ha egy mechanikai rendszert kezdeti állapotba „húzzuk fel”, majd engedjük, hogy szabadon rezegjen. Ennek példája lehet az, ha egy gyereket meglendítünk a hintán, majd magára hagyjuk, vagy megütünk egy hangvillát és hagyjuk zengeni. A mechanikai rendszer ekkor rezgéseket fog végezni egy vagy több sajátfrekvenciájával, majd a rezgés csillapodik és megáll 2008.04.08.
PTE PMMK MIT
21
Sajátfrekvencia - rezgéstípusok
Gerjesztett rezgés során a mechanikai rendszerre alternáló erő vagy mozgás hat. Példa erre egy rosszul kiegyensúlyozott mosógép rázkódása, a közlekedés okozta rezgés (melyet elhaladó teherautó okoz) vagy egy épület rezgése földrengés folyamán. A gerjesztett rezgés során a rezgés frekvenciája a gerjesztés frekvenciájától függ, de erőssége szoros összefüggésben van a mechanikai rendszer jellemzőivel.
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
22
Rezgésvizsgálat
A rezgésvizsgálat alapjait egy egyszerű tömeg-rugó modell, úgynevezett egytömegű lengőrendszer viselkedésén lehet megérteni. Valóban, egy olyan összetett szerkezet viselkedését, mint amilyen egy gépkocsi, egyszerű tömeg-rugó-csillapítás modellek összerakásával lehet modellezni.
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
23
Csillapítatlan szabad rezgés
Először egyszerűsége miatt vizsgáljuk meg az egy tömeg – egy rugó rendszert abban az esetben, ha minden csillapítást elhanyagolunk és nincs külső erő, amely hatna a rendszerre (vagyis a rendszer szabad rezgést végez). A tömegre ható rugóerő arányos az „x” kitéréssel (feltételezzük, hogy nyugalmi állapotban a rugót a tömeg súlya már előfeszítette). Az arányossági együttható, k a rugómerevség, egysége erő/elmozdulás (N/m):
2008.04.08.
Fs = -kx PTE PMMK MIT
24
Csillapítatlan szabad rezgés mérése
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
25
Impulzus erő mérése
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
26
Impulzus erő mérése
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
27
Mérőkábelek hatása a mérésre
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
28
Wheatstone hídmérés jellemzői
Hőmérséklet függés
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
29
Mérőkábel befolyása a hídmérésre PÉLDA réz kábel, 50m hosszú, 0.14mm2 átmérő Az kábel ellenállása kalibrált Az ellenállás változása 47 mΩ/K így 20 K hőmérsékleten 0.94Ω Az Ub=5V feszültéség 4.986 V-ra változik A relatív hiba h=0.28%
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
30
Mérőkábel befolyása a hídmérésre
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
31
Hőmérsékletkompenzáció
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
32
Hőmérsékletkompenzáció
Fontos! : a mérési alkalmazásra a hőmérséklet függés nem szabad, hogy hatással legyen! Feltételezzük (biztosítjuk) : homogén hőmérséklet eloszlás + konstans hőmérséklet (pl. klíma)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
33
Hőmérsékletkompenzáció Csavarodás mérése (SG teljes híd)
A mért nyúlások lineárisak a csavarodással
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
34
Hőmérsékletkompenzáció
A bélyegek (SG) hőmérséklet függőek
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
35
Hőmérsékletkompenzáció
nyúlás
hőmérséklet függő megnyúlás mechanikai megnyúlás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
hőmérséklet
36
Hőmérsékletkompenzáció
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
37
Hőmérsékletkompenzáció
½ híd: a hőmérséklet függés csak számítható, nem mérhető ¼ híd: hőmérséklet kompenzálható, HA:
két u.o. bélyeg van mindkettőn u.a. a hőmérséklet
teljes híd: kompenzálható
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
38
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
39
Anyagok hőmérséklet függése (α)
vasacél: alumínium: ausztenites acél kvarc: titán: műanyag: molibdén:
2008.04.08.
α=10.8·10-6/K α=23·10-6/K α=16·10-6/K α=0.5·10-6/K α=9·10-6/K α=65·10-6/K α=5.4·10-6/K
PTE PMMK MIT
40
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
41
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz
Két eres negyedhíd bekötésének előnyei:
egyszerű kis költség
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
42
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa1: mérőkábel ellenállásának hatása SG, két eres ¼ híd, R=0.216Ω 10m vezeték R = 120Ω,k=2.03
zero offset, 10m kábel esetén 2008.04.08.
PTE PMMK MIT
43
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa2: hőmérséklet függés SG, két eres ¼ híd,hőm. vált = 10K erenként 0.5Ω ellenállás hőm. együttható(α)=0.0039K-1
10K hőm. növekedés esetén a látszólagos nyúlás értéke 2008.04.08.
PTE PMMK MIT
44
Mérésadatgyűjtés, A/D konverter, felbontás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
45
Digitalizálás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
46
A/D átalakítás folyamata jelátalakító
2008.04.08.
erősítő
A/D átalakító megjelenítés, PC
PTE PMMK MIT
47
A/D átalakítás folyamata jelátalakító
2008.04.08.
erősítő
A/D átalakító megjelenítés, PC
PTE PMMK MIT
48
Méréshatár
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
49
Felbontás TESZTMÉRÉS ELŐTT
TESZTMÉRÉS UTÁN
Spider8 16 bit = 65 536 digit-> ±25 000 digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 10 V ∆Ue = 10/25000 = 400 µV
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
Spider8 16 bit = 65 536 digit-> ±25 000 digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 7.5 mV ∆Ue = 7.5/25000 = 300 ηV
50
Spider-8, Spider 8-30
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
51
Mit az a Spider 8 (Spider 8-30)
A Spider 8 egy elektromos mérőrendszer PCk számára kifejlesztve, olyan jelek mérésére mint nyúlás, erő, nyomás, gyorsulás, hőmérséklet. Magába foglalja az erősítő, A/D, PC interface, csatlakozó egységeket. Nyomtató porton keresztül kommunikál
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
52
Spider 8 tulajdonságai
Spider 8: 4 digitális erősítő 4.8 kHz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Spider 8-30 : 4 digitális erősítő 600 Hz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Minden csatorna külön A/D konvertert tartalmaz Minden csatorna A/D konvertere szinkronizált
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
53
Spider 8 tulajdonságai
Az első két csatorna impulzusszámlálóként is funkcionál mérhető jelek:
Hőmérséklet (ellen-álláshőmérő J,K,T,S, Pt100/Pt1000) feszültség 10V-ig áramjel 200 mA-ig ellenállás 4000Ω -ig
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
54
Spider 8 adatlap Tulajdonságok: folyamatos adatgyűjtés nagy mintavételezési frekvencia, 16 bites felbontás digitális szűrés kalibrált bemenetek könnyű használat 64 csatorna maximum (kaszkád) hőmérséklet kompenzáció (Spider 8-30)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
55
Spider-8 diagram
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
56
Spider specifikációk 1.
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
57
Spider specifikációk 2.
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
58
Spider 8 Wheatstone híd csatlakoztatás
teljes híd csatlakoztatása 4 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
59
Spider 8 Wheatstone félhíd csatlakoztatás
teljes híd csatlakoztatása 2 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
60
Spider 8 hőmérséklet kompenzálása (külső)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
61
Spider 8-30 hőmérséklet kompenzálása (belső)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
62
Ellenálláshőmérő csatlakoztatása
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
63
Spider csatlakoztatása PC-hez
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
64
Spieder kaszkád kapcsolása
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
65
Spider szofvere
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
66
Spider-8 gyakorlat
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
67
Spider-8 gyakorlat
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
68
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés előkészítése - Felbélyegzés - Terhelés (mechanikai rezgő rendszer sajátfrekvenciája geometria- és terhelésfüggő) - Nyugalmi állapot biztosítása a nullponti helyzet tárázásához - Gerjesztőjel generálása 2008.04.08.
PTE PMMK MIT
69
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérőrendszer beállítása - mérőeszköz típusa - és a csatlakozás (interfész) megadása - I/O csatornák definiálása - érzékelő karakterisztika kiválasztása - távadó szűrőbeállítása, tárázás
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
70
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés futtatása, adatrögzítés - mintaszám vagy időtartam (adat puffer mérete!) - mintavételi frekvencia - megjelenítés grafikonja (pl: y(t) diagram) - mentés (csatornák, formátum pl: ASCII állomány TAB szeparátorkarakterrel)
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
71
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérési adatok feldolgozása - ábrázolás, számítások, frekvenciatartomány energiaspektruma...
2008.04.08.
PTE PMMK MIT
72
