SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW

Transkrypt

1 SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW Wykład WYDZIAŁ MECHANICZNY Automatyka i Robotyka, rok II, sem. 4 Rok akademicki 2015/2016

2 Elementy oporowe tensometryczne Tensometrem oporowym nazywamy element rezystancyjny, w którym zmiana rezystancji następuje pod wpływem oddziaływań zewnętrznych rozciągających lub ściskających. Tensometr zbudowany jest z cienkiego drutu oporowego (średnice rzędu 10-2 [mm]) wklejonego pomiędzy dwie warstwy papieru (rzadziej) lub folii. Materiał oporowy stosowany do budowy tensometrów powinien odznaczać się bardzo małym termicznym współczynnikiem oporu.

3 Elementy oporowe tensometryczne - budowa pokrycie nośnik siatka wzmocnienie przyłącza aktywna długość siatki zakotwiczenie

4 Elementy oporowe tensometryczne rodzaje

5 Elementy oporowe tensometryczne rodzaje 1. Liniowe z 1 siatką 2. Roseta typu T z 2 siatkami do analizy stanów naprężenia przy znanych kierunkach 3. 2 siatki do pomiaru sił tnących, znane kierunki 4. Rosety z 3 siatkami do analizy stanów obciążenia dwuosiowego przy nieznanych kierunkach 5. 2 równoległe proste siatki 6. Pełny mostek (4 siatki) 7. Łańcuchy tensometrów do określania gradientu odkształceń 8. Tensometry do ekstremalnych temperatur ( st. C) 9. Tensometry z 3 m przewodami przyłączeniowymi 10. Tensometry do określania naprężeń szczątkowych 11. Tensometr do pomiaru w wysokich temperaturach 12. Tensometry do pomiaru odkształceń większych niż 5%

6 Elementy oporowe tensometryczne względna czułość (stała) tensometru k R R Dla metali k= ; Dla półprzewodników k= Zmiany rezystancji tensometru uzależnione są od stałych materiałowych i względnych wydłużeń siatki: R R l 1 2 C 2C l - ułamek Poissona, C stała Bridgmana wpływ zmian rozmiarów geometrycznych (dominujący w tensometrach metalowych), C-2C wpływ zmian rezystywności (dominujący w tensometrach półprzewodnikowych).

7 Elementy oporowe tensometryczne przykład: =100 MPa E=2,05*10 5 MPa R 0 =120 E E R R 0 R 100 MPa 5 2,05 10 MPa 1, k 2,1 0, Dla konstantanu: k=2,1 R =10-5 /K (-3,9* *10-3 ) 1 2,05 3 1, , , ,488% o

8 Elementy oporowe tensometryczne podstawowe parametry Wielkość charakterystyczna Materiał siatki rezystancyjnej Tensometry drutowe foliowe półprzewodnikowe Konstantan Nichrom Elinwar Drut m Folia o grubości 3..8 m Ge z domieszkami typu n i p, Si z domieszkami typu p Rezystancja [ ] 120, 300, 350, 500, 600, Długość bazy pomiarowej [mm] , ,2..20 Stała tensometru 2,1 (Konstantan) 2,1 (Nichrom) ,6 (Elinwar) Liniowość [%] 0,1 ( <0,4%) 1 ( <1%) 1 ( <0,1%) Dopuszczalne odkształcenie [%] ,5 Liczba cykli (trwałość dynamiczna) Współczynnik temperaturowy rezystancji [( R/R)/K] -3,

9 Elementy oporowe tensometryczne podstawowe parametry cd.

10 Elementy oporowe tensometryczne - montaż Tensometry nakleja się specjalnym klejem na element konstrukcyjny, którego odkształcenia chcemy mierzyć. Warunkiem stosowalności metody tensometrycznej jest równość wydłużenia względnego tensometru t i wydłużenia względnego elementu konstrukcyjnego r. t r Przy znanych parametrach materiału (E-moduł Younga) i parametrach geometrycznych można określić naprężenia lub siłę/moment E

11 Elementy oporowe tensometryczne właściwości temperaturowe Względną zmianę rezystancji tensometru obciążonego mechanicznie przy zmianie temperatury o T określa wzór: R R k R k p T k stała tensometru, - odkształcenie względne, R temperaturowy współczynik zmiany rezystancji materiału siatki, p temp. wsp. rozszerzalności liniowej materiału podłoża, t temp. wsp. rozszerzalności liniowej materiału siatki rezystancyjnej, T zakres zmiany temperatury. k - zmiana rezystancji występująca pod wpływem odkształceń mechanicznych; [ R + k( p - t )] zmiana rezystancji przyklejonego tensometru występującą przy zmianie temperatury T, odpowiada tzw. odkształceniu pozornemu. t

12 Elementy oporowe tensometryczne - kompensacja termiczna Warunkiem kompensacji termicznej jest aby wypadkowa wpływu zmian rezystancji pod wpływem temperatury była równa 0: 0 w R k p t Metody kompensacji błędów temperaturowych: stosowanie tensometrów samokompensujących (siatki rezystancyjne wykonane ze specjalnych stopów rezystancyjnych i które są przeznaczone do użycia na określonych podłożach, dla których p = t dołączanie tzw. tensometrów kompensacyjnych stosuje się w układach półmostkowych i pełnomostkowych montowanie mikrotermoelementów w bezpośrednim sąsiedztwie tensometrów, których napięcie dodając się do napięcia wyjściowego mostków, kompensuje dodatkowy sygnał błędu.

13 Elementy oporowe tensometryczne półprzewodnikowe zintegrowane kowadełko siatka Monolityczny czujnik przyśpieszeń

14 Elementy oporowe tensometryczne sposoby połączeń Ze względu na niewielkie względne zmiany rezystancji tensometru (do ok. 0,1%) w pomiarach stosuje się odpowiednio czułe wzmacniacze pomiarowe. Tensometry najczęściej są połączone w układ mostka Wheastone a. Warunek równowagi mostka: R R R R4 Napięcie niezrównoważenia: U E R 3 R3 R 4 R2 R R 1 2 Metoda zerowa. Metoda wychyłowa. Zasilanie prądem stałym i przemiennym.

15 Elementy oporowe tensometryczne sposoby połączeń Równoważenie mostka tensometrycznego poprzez zmianę rezystancji (układ szeregowy i równoległy)

16 Elementy oporowe tensometryczne podłączenie układu dużej czułości Efektywność R 5 i R 6 Zerowanie Korekcja liniowości Kompensacja temperaturowa: czułość Punkt zerowy Kalibracja

17 Elementy oporowe tensometryczne

18 Elementy oporowe tensometryczne przykłady aplikacji

19 Elementy oporowe tensometryczne przykłady aplikacji

20 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

21 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Kolumnowe elementy sprężyste

22 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Cylinder drążony

23 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Tuleja drążona z segmentami

24 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Pierścieniowy przetwornik skręcany

25 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Zmodyfikowane przetworniki pierścieniowe

26 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Odkształcenia belki podwójnie zginanej

27 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki podwójnie zginane

28 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik siły (wagowy) do platform

29 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik siły z kompensacją ciśnienia atmosferycznego

30 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik sił promieniowych

31 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik z wieloma belkami zginanymi

32 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Rozkład naprężeń i sił tnących belki utwierdzonej

33 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki pracujące na ścinanie

34 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Elementy membranowe

35 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia cylindryczne

36 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Memebranowe przetworniki ciśnienia

37 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia absolutnego

38 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetwornik ciśnienia

39 Koło szprychowe Przetworniki tensometryczne Pomiary momentu rodzaje, ewolucja Forma klatkowa Wał pełny Wał drążony (tuleja) Promieniowe ścinanie Osiowe ścinanie

40 Przetworniki tensometryczne Pomiary momentu Część pomiarowa Część montażowa Przetwornik jednoelementowy Strefy odkształceń z tensometrami Promieniowy Osiowy Przetworniki momentu pracujące na ścinanie

41 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

42 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

43 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

44 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (QUANTUMX MX840A)

45 Przetworniki tensometryczne Pierścienie ślizgowe

46 Przetworniki tensometryczne Sumatory

47 Przetworniki tensometryczne Sumatory

48 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

49 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

50 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

51 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

52 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

53 Wzmacniacze pomiarowe Wzmacnianie sygnału i jego formowanie to podstawowe funkcje realizowane w analogowych układach pomiarowych. Formowanie sygnału polega na zmianie jego zależności względem czasu, częstotliwości lub innego sygnału). Klasyfikacja wzmacniaczy pomiarowych: Ze względu na rodzaj wzmacnianego sygnału: napięciowe, prądowe, ładunkowe; Ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego: napięciowe, prądowe; Ze względu na pasmo przenoszonych częstotliwości: wzmacniacze prądu stałego, szerokopasmowe, selektywne;

54 Ze względu na strukturę układu wejściowego: niesymetryczna, symetryczna-różnicowa; Ze względu na fazę napięcia wyjściowego względem napięcia wejściowego: odwracające nieodwracające Ze względu na sposób regulacji wzmocnienia: skokowy, płynny; Ze względu na sposób ustawiania wzmocnienia: manualny, automatyczny (programowany) Wzmacniacze pomiarowe klasyfikacja cd.

55 Wzmacniacze pomiarowe - przemysłowe MVD2510 MP60 MP30 CLIP MC2A/MC3 Wzmacniacze w wykonaniach umożliwiających pracę w trudnych warunkach (obudowy zapewniające np. pyłoszczelność-mc2a/mc3 f- my Hottinger), zwykle wyposażone w 1 (lub kilka) zakres pomiarowy, proste w obsłudze, bez wyświetlacza lub z niewielkim kilkuwierszowym, jedno- lub dwukanałowe, często przeznaczone do montażu na szynie wraz z innymi urządzeniami lub na panelach). Spotykane w wersjach analogowych, z wyjściami analogowymi i cyfrowymi, również wersje w pełni cyfrowe pracujące w układach automatyki z wykorzystaniem interfejsów ProfiBus, Ethernet, CAN).

56 Wzmacniacze pomiarowe - laboratoryjne MGCplus Spider 8 Wzmacniacze o uniwersalnym charakterze, umożliwiające współprace z czujnikami takimi jak mostki tensometryczne, indukcyjne, częstotliwości, temperatury, czujnikami dostarczającymi sygnał napięciowy lub prądowy. Komunikację z komputerem zapewniają standartowe łącza takie jak RS232, CENTRONICS, IEE488 bądź ETHERNET. MGCplus jest przykładem wzmacniacza o szerokiej gamie dostępnych modułów, wyposażony w wyświeltacz umożliwiający graficzną lub cyfrową wizualizację wielkości mierzonych. Może być wyposażony w dysk umożliwiający gromadzenie danych. Spider 8 mniej uniwersalny, z ograniczoną możliwością rozbudowy wzmacniacz doskonale nadający się do realizacji pomiarów w trudnych warunkach (obudowa) wymaga komputera do realizacji pomiarów/konfigurowania)