SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ SÍLY, TLAKU, KROUTÍCÍHO MOMENTU, ZRYCHLENÍ

Experimentální metody – přednáška 9 Snímače pro měření síly, tlaku, kroutícího momentu, zrychlení

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ SÍLY, TLAKU, KROUTÍCÍHO MOMENTU, ZRYCHLENÍ

• 9.1. Snímače síly • 9.2. Snímače tlaku • 9.3. Snímače kroutícího momentu • 9.4. Snímače zrychlení


9.1. SNÍMAČE SÍLY dva základní principy: • 9.1.1. deformace měrného tělíska • 9.2.2. piezoelektrický jev


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci • působením síly na těleso dojde k jeho deformaci • využívá se tlak nebo ohyb • různé tvary deformačních tělísek • deformace se měří pomocí tenzometrů

F


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci • zapojení prakticky výhradně jako plný most • často doplněn o další prvky pro zlepšení teplotní stability a vyvážení


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci • příklad zapojení •

šestivodičové zapojení snímače

snímač

elektronika + SENSE + EXC GND NAPÁJENÍ

- EXC - SENSE

Poznámka: • pokud má snímač pouze 4 vodiče a elektronika má vstupy SENSE, nesmí zůstat nezapojeny – propojí se vždy na příslušný výstup EXC • při nezapojených vstupech SENSE hrozí zničení snímače

+ IN DIFERENCIÁLNÍ ZESILOVAČ - IN


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci • citlivost na boční síly (ohybový moment) • záleží na mechanickém provedení snímače – existují typy odolné proti ohyb. momentu

• použitím nevhodného snímače může dojít ke zkreslení měřené hodnoty • působením boční síly (ohybového momentu) může dojít ke zničení snímače


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci Základní charakteristika: • tah i tlak – záleží jen na mechanickém uspořádání snímače • široká škála rozsahů cca 10N až jednotky MN • přesnost 0,03 až 1% • statické i cyklické zatížení • lze i víceosé provedení Výhody: • tahové i tlakové síly • měří statickou hodnotu síly • široký výběr typů, rozsahů, kotvení • velké množství výrobců a dodavatelů

Nevýhody: • malá přetížitelnost • citlivost na boční síly • použitý siloměr sníží tuhost celku


9.1.1. SNÍMAČE SÍLY založené na deformaci

detaily např. na www.hbm.cz www.omegaeng.cz www.gtm.cz


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu • piezoelektrický jev (z řeckého piezein – tlačit) je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování • může se vyskytovat pouze u krystalů, které nemají střed symetrie • nejznámější piezoelektrickou látkou je monokrystalický křemen


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu • několik způsobů vyvození piezoelektrického napětí

• deformací se ionty opačných nábojů posunou v krystalové mřížce tak, že elektrická těžiště záporných a kladných iontů, která v nezdeformovaném krystalu souhlasí, se od sebe vzdálí • na plochách krystalu se objeví elektrický náboj • piezoelektrický jev vymizí při vyšších teplotách

podélný


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu

střižný

příčný


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu • místo monokrystalu lze použít i „piezokeramiku“ • levnější řešení



-

-

-

-

-

-

-

-

• plochy krystalu propojíme vodičem • při zatížení se na ploše krystalu objeví elektrický náboj • ten „přitahuje“ volné elektrony ve vodiči • pohyb elektronů vodičem = elektrický proud • po vyrovnání náboje pohyb elektronů ustane • !!! proud protéká jen při změně náboje – změně zatížení • NEMĚŘÍ STATICKÉ ZATÍŽENÍ !!!!!!!!!!!!!!

-

- -

- -


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu • pro vyhodnocení pohybu elektronů se používá speciální zařízení • NÁBOJOVÝ ZESILOVAČ

nábojový zesilovač

el. napětí

• vliv propojovacího kabelu • nutnost použít snímač a odpovídající kabel • nejlépe použít vše (snímač, kabel, zesilovač) od jednoho výrobce



síla

integrační zesilovač

čas

el. proud

U0

• ideální průběh pro ideální Cr • ve skutečnosti se projeví reálné vlastnosti Cr

čas potřeba přizpůsobit integrační konstantu rychlosti změny zatížení !!


9.1.2. SNÍMAČE SÍLY založené na piezoelektrickém jevu Základní charakteristika: • z principu jen tlak (tah jen speciální „předepnuté“ snímače) • široká škála rozsahů (jednotky až stovky kN) • přesnost cca 1% • lze i víceosé provedení Výhody: • miniaturní provedení i pro velké síly • velká tuhost • přetižitelnost • změnou rozsahu zesilovače lze měřit i malé síly vůči rozsahu snímače

Nevýhody: • obtížné využití pro statické zatížení • pro tah jen speciální provedení snímače • nutná speciální elektronika a kabeláž • omezený počet dodavatelů



detaily např. na www.kistler.cz www.hbm.cz


9.2. SNÍMAČE TLAKU

tlak se převádí na sílu – měření tlaku má shodný princip jako měření síly

p F=pS

• deformace měrného tělíska – tenzometry (velmi často polovodičové) • piezoelektrický jev • platí totéž co pro snímače síly


9.2. SNÍMAČE TLAKU

široký rozsah typů – různá média velké množství rozsahů velké množství výrobců

detaily např. na www.kistler.cz www.omegaeng.cz www.hbm.cz

i kompaktní provedení


9.3. SNÍMAČE KROUTÍCÍHO MOMENTU

• deformace měrné tyče – měrného hřídele • měření deformace: tenzometry piezoelektrický jev


9.3. SNÍMAČE KROUTÍCÍHO MOMENTU

nerotační provedení • tenzometrické • piezoelektrické

detaily např. na www.kistler.cz www.hbm.cz

množství typů – různá kotvení, montáž (příruba, čtyřhran, šestihran) rozsahy – jednotky Nm až jednotky kNm


9.3. SNÍMAČE KROUTÍCÍHO MOMENTU rotační provedení jen tenzometrické • přenos kroužky – starší systém detaily např. na www.hbm.cz

• montáž na čtyřhran • otáčky do 4000 ot-min • jednotky Nm až jednotky kNm

elektronika


9.3. SNÍMAČE KROUTÍCÍHO MOMENTU rotační provedení jen tenzometrické • bezkontaktní přenos • množství typů, různá montáž • otáčky až 24000 ot-min • jednotky Nm až jednotky kNm • často i výstup otáček – n impulsů na otáčku elektronika

napájení

data

elektronika

Přenos nejčastěji indukční vazbou


9.3. SNÍMAČE KROUTÍCÍHO MOMENTU rotační provedení velmi často mají jako další výstup impulsy úměrné otáčkám detaily např. na www.kistler.cz www.hbm.cz


9.4. SNÍMAČE ZRYCHLENÍ zrychlení se převádí na sílu měření deformace

a

m

m

FF

F=ma

a m

F siloměr

a

• tenzometrické • jednočipové • piezoelektrické • kapacitní


9.4. SNÍMAČE ZRYCHLENÍ

detaily např. na www.kistler.cz

• měření deformace tenzometry Základní charakteristika: • rozsah zrychlení jednotky G až cca 2000G • frekvenční rozsah 0 Hz až cca 4000 Hz – měří statické zrychlení • velká přetižitelnost (puls až 8000G)

měření deformace

m

a FF


9.4. SNÍMAČE ZRYCHLENÍ

detaily např. na www.analog.com

• jednočipové provedení i-MEMS akcelerometry opět na princip tenzometrů pružný člen, kmitající hmota, polovodičové tezometry a zesilovač umístěny na jednom čipu

Základní charakteristika: • rozsah zrychlení jednotky G až cca 70G • frekvenční rozsah 0 Hz až cca 1500 Hz (pro větší G méně) – měří statické zrychlení • jedno až tříosé • nepotřebují žádnou další elektroniku • výstup analogové napětí nebo datová sběrnice


9.4. SNÍMAČE ZRYCHLENÍ • piezoelektrické

detaily např. na www.kistler.cz www.spectris.cz

Základní charakteristika: • rozsah zrychlení jednotky G až cca 50000 G • frekvenční rozsah cca od 1 Hz až desetitisíce Hz – neměří staticky • jedno až tříosé

a m

F • potřebují nábojový zesilovač

piezo siloměr

SNÍMAČE PRO MĚŘENÍ SÍLY, TLAKU, KROUTÍCÍHO MOMENTU, ZRYCHLENÍ

Recommend Documents