Senzorika a senzorické soustavy

Senzorika a senzorické soustavy Snímače mechanických napětí, síly, kroutícího momentu a hmotnosti Tato publikace vznikla jako součást projektu CZ.04.1.03/3.2.15.2/0285 „Inovace VŠ oborů strojního zaměření“, který je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky 1

Snímače mechanických napětí, síly, kroutícího momentu a hmotnosti

2

Snímače mechanických napětí

3

Snímače mechanického napětí • mechanické napětí se vyhodnocuje z deformace • základem je Hookův zákon

Dl 1 F = =e l E S F s =e E = S

4

Extenzometr • mechanický snímač • ke zkoumanému objektu jsou tlačeny hroty snímače, pomocí nichž se přenáší deformace na extenzometr • vyhodnocení se provádí např.: – pomocí mechanického převodu na ručku – snímači vzdálenosti

5

Odporové tenzometry • změna odporu v závislosti na deformaci – Ohm 1827, Wheatstone 1843

• změna odporu

l R= r S DR Dl DS Dr = + R l S r DS Dl =& -2 m S l 6

Převodní charakteristika odporových tenzometrů DR 2 = C1e + C2e + ... R0, 0

Ke ,0 Ke ,0

æ DR ö ÷ d çç ÷ R 0,0 ø è = = C1 + 2C2e + 3C3e 2 + ... de =& C1 + 2C2e

7

Materiály odporových tenzometrů • kovové – K je konstantní – lineární charakteristika • Konstantan 2,05 • Nikl 10 • PtIr 6,5

• polovodičové – nemají lineární charakteristiku – typ P na Si • vhodný pro tah – kladná charakteristika

– typ N na Si • vhodný pro tlak – záporná charakteristika

8

Kovové odporové tenzometry • typy – drátkové – volné / lepené – fóliové – vyráběné fotolitograficky – vrstvové – vakuově napařované / naprašované

• typické odpory – 60, 120, 350 a 1000Ω

• teplotní citlivost – zdánlivá deformace díky rozdílné teplotní roztažnosti kov tenzometru / nosná část / měřená část – samo-kompenzace – vhodná volba materiálů

9

Kovové odporové tenzometry vlastnosti • změna odporu je velmi malá, řádově μΩ – rušivá napětí – termoelektrická napětí na přechodech připojovacích vodičů

• preferovány můstková zapojení – stejnosměrně napájené • drift

– střídavé • frekvenční závislost

10

Základní druhy odporových tenzometrů

11

Rezonanční tenzometry • strunové • vlastní frekvence struny závisí na

1 F 1 eE f0 = = 2 m l 2l r

12

Kapacitní tenzometry • deformace mění vzdálenost elektrod kondenzátoru • minimální používané

13

Snímače síly

14

Snímače síly • 1 Newtonů zákon • většinou je síla vyhodnocována z deformace • typy – deformační členy • vetknutý nosník • válec • pružný rám

– přímý převod F->ε • piezoelektrické • magnetické • optické

15

Deformační členy • deformace je měřitelná – tenzometry – malé deformace – snímači vzdálenosti – velké deformace

• materiály – minimální • tepelná roztažnost (závislost) • teplotní koeficient Youngova modulu • hystereze

– dobrou tepelnou vodivost – jemnou homogenní strukturu

• geometrie – směrovost – poddajnost ve směru měření – umožnit použití 4 aktivních tenzometrů (plný most) – deformace musí být v lineární oblasti 16

Deformační snímače síly • Vetknutý nosník – malé síly

s Mo Fl = e= = E Wo E Wo E e E Wo F= l

17

Deformační snímače síly • Válcové – velké síly

18

Deformační snímače síly • pružný člen typu „S“ – lze jednoduše chránit tenzometry před vnějšími vlivy

19

Deformační snímače síly • Pružný člen vhodný pro hromadnou výrobu

20

Váhy s elektromechanickou zpětnou vazbou

21

Vážení nádrží, sýpek, tanků.. • deformační členy jsou vloženy do konstrukce zavěšení / noh tělesa

22

Snímače síly s převodem deformace na polohu

23

Snímače síly s extrémní přesností • pomocí MKP jsou určen vhodná místa pro umístnění tenzometrů

24

Piezoelektrické snímače • piezoelektrický jev – přímý • polarizace některých krystalických nebo polykrystalických dielektrik podrobených mechanickému napětí

– nepřímý • deformací krystalů při působení vnějšího elektrického pole

• piezoelektrický jev může nastat pouze u krystalů s určitým tvarem mřížky

25

Piezoelektrický jev • podélný jev 3 • příčný jev 1 • střihový jev 2

26

Piezoelektrické snímače síly • piezoelektrické dvojče (P) je předepnuté tak, aby nastala pouze deformace typu tlak • vlastní frekvence v řádu stovek kHz

27

Piezoelektrické snímače složek síly

28

Magnetoelastické snímače • změna permeability při deformaci feromagnetických materiálů je úměrná mechanickému napětí

Dm = l0 m ps ms

• převodní charakteristika snímače je

Dm lS = 2ms 2 s ms BS • λS je činitel magnetostrikce

29

Magnetoelastický snímač síly • 1 – feromagnetický obvod • 2 – hlavní vinutí • materiály – Ni-Fe – amorfní mag. • kovová skla

30

Rezonanční snímač síly • vysoká stabilita a přesnost

31

Snímače kroutícího momentu • snímače – s odporovými tenzometry – s převodem momentu na úhel – magnetické • změna reluktance • magnetoanizotropie amorfních materiálů • Wiedemannův jev

– měřením reakční síly

• obecný problém – přenos signálu z rotující části

32

Snímače kroutícího momentu s odporovými tenzometry

33

Snímače kroutícího momentu s převodem momentu na úhel

34

Snímače kroutícího momentu s převodem momentu na úhel

35

Magnetický štěrbinový snímač

36

Snímače kroutícího momentu měřící reakční sílu • nejpřesnější snímač kroutícího momentu • může být realizován jako speciální rám nebo přímo ve skříni stroje

37