Senzory síly a hmotnosti - princip – využití fyzikálních účinků síly – převod síla x deformace Newtonův zákon
F( t ) = ma
speciální případ - tíhová síla
přímý (intrinsický) převod
F→ε
G = mg převod ε na: náboj - piezoelektrické magnetické vlastnosti optické vlastnosti - OVS druh deformace
pružný člen
tvar členu
ohyb tah, tlak smyk krut
válec vetknutý nosník
pružný rám
ε
Pružné (deformační) členy - užití odporových tenzometrů - zásady geometrie pružných členů: 1. směrovost 2.převod měř. síly na deformace opačných znamének – pro užití 4 tenzometrů 3. transformace deformace v rozsahu linearity + ochrana proti přetížení • pružný člen typu vetknutý nosník – pro měření malých sil (desítky kN)
R4
R1
L R3
ε=
F
R2
b h
σ Mo FL = = E WoE WoE
F
• měření smykového napětí
σB
τ
• měření větších sil -princip dvojitého nosníku
F R1
F R2
R1 R3
R2
R3
R4 F
pružný člen typu S
F
R4
High Accuracy Tension and Compression 'S' Beam Load Cells 100 to 9000 kg Linearity: 0.03% FS Repeatability: 0.01% FS
0-10 to 0-20 kg Linearity:±0.25% FSO Repeatability: ±0.10%FSO
Miniature Industrial Load Cell
• senzor s dutým válcem -velký ohybový moment -tenzory uvnitř ⇒ chráněné -užití: zařízení pro vážení velkých objektů (vagóny, zásobníky, jeřáby, vážíci plošiny)
• pružný rám -nejlepší směrovost -složen z 4 tyčovitých spojek s pružnými závěsy a,b,c,d -vhodné pro uzavřené komory naplněné olejem – hydraulický princip
Pružné členy pro senzory hmotnosti (vážení) - optimalizované pro hromadnou výrobu (tzn. přesnost + min náklady)
přeložený nosník: -při zatížení vznikají deformace s opač. znaménkem na vrchní straně a proto se tam umístní fóliový tenzometric. můstek
• systém s elektromechanickou zpětnou vazbou -pro vážení s velkou přesností -cívka vytváří kompenzační sílu F=BIl
miska
diferenční kapacitní senzor vahadlo silový člen
S J
výkonový zesilovač
integrační zesilovač
střídavé napájení mostu
rozdílový demodulátor zesilovač
- vážení a hmotnostní bilance velkých zásobníků:
-největší váha je uprostřed nádrže ⇒ LC1 více dimenzován než ostatní
LC5 LC2
LC1
LC4 LC3
Senzory síly s převodem deformace na polohu F jádro
pružný člen
LVDT
Senzory síly s převodem deformace na polohu F 120 115 90 80
30
110 100 60
40
85 105 95
20 10
15 55 45
75
50 65 25 70
5
Senzory síly s přímým (intrinsickým) převodem deformace - typy: • piezoelektrický • magnetoelestický • rezonanční • na fotoelastickém principu
1. Piezoelektrické senzory přímý piezoelektrický jev = polarizace některých dielektrik, působí-li na ně mechanické napětí
nepřímý piezoel. jev (piezostrikce) = deformace vlivem vnějšího el. pole - užití: ultrazvukové generátory, akční člen pro posuvy (měřící a regulační technika)
- o tom zda piezoelelektrický jev nastane nebo ne rozhoduje poloha středu symetrie základní buňky krystalové mřížky
- klidový stav
- deformovaný stav
y x
p4
p1
p2
p1
p4
p3
p3 - polarizace obou stavů této mřížky je:
p2
→
∧
P1 →
P = ∑ pi = 0 i
→
pi - vektory dipólmomentů
- klidový stav
- deformovaný stav
y x p3
p1 p2
p3
p1 p2
- pro tuto 6ti úhelníkovou mřížku (např. SiO2) nastává polarizace ⇒ vzniká piezoelektrický jev
- mechanické napětí působí na elektrody:
3
2 1
2
3
Q E
P
1 U
Q E1 P
-náboj nezávislý na rozměrech:
Q = d11Fx
P Q 2
3 1 . kolmo (ve směru elektrické osy) = podélný jev
U
2 . rovnoběžně (ve směru mechanické osy) = příčný jev -náboj závislý na rozměrech: Q = d 11 Fy
b a
U
3. smyková deformace -větší citlivost, menší rušivé účinky teplot. dilatací
Materiály pro piezoelektrické senzory: -monokrystaly – SiO2, triglycinsulfát TGS, titaničitan lithia LiTaO3 -polykrystalické keramické materiály - titaničitan barnatý LiTiO3, titaničitan olovnatý PbTiO3 , tuhé roztoky typu zirkonát olova PbZRO3, niobáty -organické polymery- např. polyvinylidendifluorid – PVDF feroelektrické materiály - nelineární závislost polarizace na el. poli – hysterezní smyčka - zůstanou piezoelektrickými i bez el. vnějšího pole - užití: zdroje stálého el. pole
Výbrus SiO2 jako piezoelektrický element
Elektrický náhradní obvod senzoru: - vychází z Nortonova teorému: I ( jω)
C C
Q( jω) a)
C I ( jω) = jωQ( jω)
U ( jω) =
b)
c)
jωQ( jω) Q( jω) 1 = = U( jω) = I ( jω) jωC jωC C
Q( jω) C
Měřící obvody pro piezoelektrické senzory - náhr. obvod spojení piezoelektrického senzoru s napěťovým zesilovačem
CC C
RS
CK
RK
Ci
Ri RC
- piezoel. senzory nelze užít pro sledování statických veličin - přenos
U 1 ( jω) jωτ Q( jω) K ( jω) = = = U ( jω) 1 + jωτ C U ( jω) =
Q( jω) CC
τ = Rc C c
Rk
- odpor kabelu
Ri
- odpor vstupu měřidla
RS
- svodový odpor
CK
- kapacita kabelu
Ci
- kapacita vstupu
- obvody se zesilovači (tranzistory řízené polem FET, MISFET) 1. 2.
napěťové s velkým vstupním odporem – elektrometrické nábojové - integrující F Rs
+ U 2 ( jω)
C
A=1
−
a) impedanční konvertor
+ + F
−
zesilovač
+
snímač kabel
RK
CK
b) neinvertující elektrometrický zesilovač pro piezoel. „dvojče“
přenos:
U 2 ( jω) = A( jω)K ( jω)U 1 ( jω) = A( jω)
jωτ Q( jω) 1 + jωτ C C
- nevýhoda – závislost výstupního napětí na CC
Impedanční konvertor v pouzdře senzoru: +U S
snímač G R
D
Cod
- nevýhoda – závislost výstupního napětí na CC – řešení: zabudovat zesilovač do pouzdra senzoru
elektrometrické zesilovače: - jednoduché - užití: napěťové sledovače pro značné napěťové úrovně výstup. signálů
2. nábojové zesilovače
i i
RC a CC
io
+
du 2 u i+ +Cg =0 Rg dt Rg → ∞
Rg Cg
u2 = −
u2
1 idt ∫ Cg
Z ge ( jω) =
i=
dQ dt
Z g ( jω) 1− A
=
Q0 u 2 (t ) = − e Cg
u2 = −
Q Cg
Z g ( jω) 1+ A −
t R gC g
Rozdílový nábojový zesilovač - uzemnění pouzdra senzoru a vstupu zesilovače může vyvolat rušení průtokem zemnících proudů – náprava rozdílový zesilovač pouzdro senzor
stínění
C
+
C
R
R + -
UZ
uV
-triboelektrické jevy: - rušení u koax. kabelu – vzniká třením vnitřního vodiče o izolaci
Piezoelektrické senzory síly
T P
2. Magnetoizotropní senzor síly
F F=0
F≠0
C2 C1 i1 u2 výst. U1 ~
α
3. Rezonanční senzory sil např. jeřáby
4. Senzory síly na fotoelastickém principu -vznik dvojlomu při působní mechanického napětí -rychlost světla se mění vzhledem k směru hlavních napětí a současně k rozdílu mezi hlavními napětími - pozoruje se obrazec tmavých a světlých oblastí ⇒ užití CCD senzoru
Senzory kroutícího momentu Moment síly: r z definice:
M = Fr d 2Θ M = Jα = J 2 dt
- rameno síly
F - síla
α
- úhlové zrychlení
J - moment setrvačnosti tělesa
- výkon rotujícího tělesa:
P = Mω
ω
- úhlová rychlost
Nepřímá měření = určení momentu měřením příčin vzniku nebo účinků př. elektrické motory (podobně se dá postupovat u pneumatických a hydraulických akčních členů):
M = ki a i b
nevýhoda této metody – nerespektují se ztráty během přenosu momentu k zátěži
Účinky kroutícího momentu vhodné pro transdukci úhlové zrychlení gyroskopické senzory
deformace
reakční síly dynamometry
mechanické napětí
poloha, úhel
piezoelektrický náboj
odporové tenzometry
indukčnostně kapacitně opticky
monokrystal piezofilm (PVDF)
magnetické vlastnosti reluktance magnetoanizotropie Wiedmanův jev
1. senzory s odporovými tenzometry - měří deformaci hřídele mezi motorem a zátěží nebo deformaci vloženého torzního pružného členu deformace:
ε=
r M 2GJ
G - modul pružnosti ve smyku prstencový pružný člen pro kroutící moment
Mk křížový pružný člen pro kroutící moment
- snadné lepení tenzometrů
Mk a)
připojeno k pohonu A
A připojeno k zátěži b)
2. senzory s převodem momentu na úhel - měří se měna úhlu vyvolaná deformací - na hřídeli/vloženém pružném členu jsou ve vzdálenosti L umístěny značky (na indukčnostním a optickém principu)
senzor kroutícího momentu s úhlovou deformací: ozubené kolo moment Mk
vztah pro moment:
M=
GJ Θ L
Mk indukčnostní senzory
-bezdotykové snímání polohy zubů: např senzory na principu Hallova jevu
měření fázového rozdílu výstup
3. Magnetické senzory momentu • změna magnetické reluktance -kroutící moment způsobí zvětšení štěrbin u jedné a zmenšení štěrbin u druhé řady -Častěji změnu permeability
výstup U0
štěrbiny/drážky
Mk
zdroj
feromagnetická trubka / hřídel kroutící moment Mk
3. Magnetické senzory momentu
Torductor (ABB)
Přenos měronosného signálu momentu z rotující části
3
- odporové tenzometry jsou nalepené na hřídeli nebo na pružném členu vloženém mezi stroj a zátěž
n
1
ε
ε
ε
ε
- snaha o vyloučení rušení – omezit ¨ počet sběrných kontaktů na 2 a na hřídel umístnit převodník R/I
P
- speciální napájení – transformátorovou vazbou 2
Mk
Mk
- prstenec 2 – převod výstup. u můstku na frekvenci pulsů
Rotating Torquemeters - S.Himmelstein
