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
