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 2016/2017

2 Fizyczne zasady działania sensorów elementy oporowe Przy pomiarach wielkości nieelektrycznych metodą oporową wykorzystuje się zjawiska występujące w przewodnikach stałych, półprzewodnikach oraz elektrolitach. Opór elektryczny wyraża się: R= (t)l/s gdzie: (t)-opór właściwy [ m 2 /m] l-długość [m] s-przekrój [m 2 ].

3 Fizyczne zasady działania sensorów elementy oporowe cd. Pomiar polega na wykorzystaniu zależności oporu elektrycznego elementu przetwarzającego, bezpośrednio od wielkości mierzonej lub innej wielkości od niej w określony sposób zależnej. Wielkość mierzona może być związana z następującymi wielkościami, wpływającymi na wartość oporu danego elementu: oporem właściwym, długością elementu l, oporem składowym szeregowego połączenia dwóch oporów stanowiących w sumie całkowity opór elementu. W technice pomiarowej wykorzystuje się bezpośrednie zależności oporu właściwego od temperatury i siły przyłożonej do elementu, długości l od przesunięcia liniowego lub kątowego.

4 Fizyczne zasady działania sensorów elementy oporowe Elementy oporowe potencjometryczne Elementy oporowe termometryczne a. metalowe (Pt100, Pt1000, Cu100, Ni100) b. półprzewodnikowe (termistory: NTC, PTC, CTR) Elementy fotooporowe Elementy oporowe tensometryczne

5 Elementy oporowe potencjometryczne Schemat oporowego dzielnika napięcia l długość dzielnika x długość części dołączonej do zacisków wejściowych r 2 opór części dołączonej do zacisków wyjściowych r 1 opór pozostałej części dzielnika U napięcie zasilania a, b zaciski wyjściowe

6 Elementy oporowe potencjometryczne cd. Sposoby realizacji przetworników potencjometrycznych liniowych: ze wzdłużnym ruchem suwaka z obrotowym ruchem suwaka nawijane na karkasie zwijanym lub wygiętym

7 Elementy oporowe potencjometryczne cd. Sposoby realizacji przetworników potencjometrycznych nieliniowych: nawijane ze zmiennym skokiem nawijane na karkasie profilowym nawijane na karkasie krzywoliniowym o stałym przekroju ze zbocznikowaną częścią potencjometru

8 Elementy oporowe potencjometryczne cd. Charakterystyka potencjometru Charakterystyka napięcia wyjściowego z uwzględnieniem schodkowatości

9 Elementy oporowe potencjometryczne cd. Zakres mierzonych przemieszczeń: do 1000(2000) mm przetworniki liniowe przetworniki kątowe jednoobrotowe do 10 x przetworniki kątowe wieloobrotowe Zakres liniowości: od 0,1%.

10 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

11 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

12 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

13 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

14 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

15 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

16 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

17 Sensory w pojazdach Przetworniki potencjometryczne

18 Elementy oporowe termometryczne Elementy wykonane z materiału, którego opór zmienia się istotnie jako funkcja temperatury: R f R metalowe półprzewodnikowe

19 Elementy oporowe termometryczne metalowe Zmiany temperatury można opisać równaniem: 2 R R 1 a a... R - rezystancja w temperaturze C R 0 - rezystancja w temperaturze 0 C a 1,...a n - stałe 0 1 Liczba współczynników zależy od materiału, zakresu temperatur i wymaganej dokładności. Najczęściej stosowane materiały to platyna, miedź, nikiel. 2 a n n

20 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd. Metale wykazują najczęściej wzrost oporności ze wzrostem temperatury Oznaczenia: Pt100 Pt500 Pt1000 Cu100 Ni100

21 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd. Duże dokładności przetworników metalowych są uwarunkowane: wysoką czystością materiałów starzeniem konstrukcją mechaniczną zapewniającą brak naprężeń mechanicznych Dokładności pomiaru mogą sięgać 0,001 C (specjalne układy mostkowe w termometrach laboratoryjnych). W zastosowaniach przemysłowych stosuje się elementy klasy 0,5-1(2-rzadziej).

22 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd. Przy pomiarach precyzyjnych (dokładność większa niż 1%) poniżej 20 C stosuje się mostki elektroniczne prądu stałego lub zmiennego równoważone automatycznie. Przy pomiarach powyżej 10 C i dokładności 1% stosuje się mostki niezrównoważone z miliwoltomierzem na wyjściu.

23 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd.

24 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd.

25 Elementy oporowe termometryczne metalowe cd. Czujniki kablowe Budowa czujnika głowicowego: 1-element pomiarowy, 2-osłona (np. ceramiczna), 3-głowica, 4-materiał izolacyjny, 5-osłona metalowa) Termometr oporowy kątowy zatrzaskowy

26 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Termistorami nazywa się półprzewodnikowe rezystory odznaczające się tym, że ich rezystancja bardzo silnie zmienia się w miarę wzrostu temperatury. Rozróżnia się następujące grupy termistorów: o ujemnym temperaturowym współczynniku rezystancji termistory NTC (ang. negativ temperature coefficient), o dodatnim temperaturowym współczynniku rezystancji termistory PTC (ang. positive temperature coefficient), o skokowej zmianie rezystancji termistory CTR (ang. critical temperature resistor). NTC PTC

27 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Zależność rezystancji termistorów od temperatury: 1-termistor NTC, 2-termistor PTC, 3- termistor CTR

28 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Termoelementy termistorowe, ze względu na dużą wartość temperaturowego współczynnika rezystancji w porównaniu z metalami, pozwalają na konstruowanie czujników znacznie czulszych od metalowych. Zaletami termistorów są również: małe wymiary, mała bezwładność cieplna, duża rezystancja, która pozwala na realizację pomiarów w znacznie oddalonych miejscach, gdyż wpływ rezystancji przewodów jest znikomy.

29 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Zakres temperatur wynosi od ok C do ok. 250 C dla termistorów zwykłych i dochodzi do 1200 C dla specjalnych termistorów żaroodpornych. Uzyskiwana dokładność jest porównywalna z dokładnością termoelementów metalowych, natomiast czułości po zastosowaniu specjalnych wzmacniaczy dochodzą do 10-4 C. Wadą termistorów jest ich mała liniowość i trochę gorsza powtarzalność parametrów w porównaniu z termoelementami metalowymi.

30 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Duża rezystancja początkowa i duży wsp. temperaturowy pozwalają stosować proste układy szeregowe. W przypadku bardzo dużych i/lub bardzo małych zakresach pomiarowych oraz do pomiaru różnicy (zwłaszcza niewielkiej) temperatury stosuje się układy mostkowe.

31 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Jako czujniki wykorzystuje się głównie termistory NTC, wykonuje się je z mieszaniny tlenków różnych metali (miedzi, niklu, żelaza, tytanu cynku, kobaltu, litu, manganu i innych). Materiał formuje się zwykle w rdzeń, koralik lub płytkę (baza elementów) a następnie spieka wraz z elektrodami odprowadzającymi (zwykle w postaci drutu o średnicy 50 m). Rozmiary termistorów są bardzo małe i często nie przekraczają 2 mm. Spiekanie odbywa się przy zachowaniu ostrych reżimów technologicznych, a o otrzymany spiek ma dużą trwałość i jest podobny do ceramiki. Po starzeniu, w celu osiągnięcia stabilności i powtarzalności wskazań, pokrywa się je szkliwem lub umieszcza w szklanych osłonach.

32 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Zależność oporności od temperatury jest dla termistorów NTC jest wykładnicza i w przybliżeniu można ją przedstawić następująco: R T e 1 1 T T 0 R o gdzie: R 0 rezystancja termistora w znanej temperaturze T 0 (zwykle 298,15 K), - stała materiałowa termistora w K, R T rezystancja termistora w mierzonej temperaturze T. Wartości R o wynoszą od kilku omów do 10 M, przy czym niskoomowe termistory służą do pomiaru temperatur niskich, wysokoomowe do pomiaru temperatur wysokich. Stała materiałowa ma wartość od 1500 do 6000 K (typowe wartości to ok K).

33 Elementy oporowe termometryczne półprzewodnikowe (termistory) Termistory PTC mają istotnie różną zależność oporności od temperatury w porównaniu z termistorem NTC. Dla czujnika w postaci kryształu krzemu jest prawie liniowa. Zakres pomiarowy jest niewielki (-45 C 180 C). Termistory PTC wytwarza się z domieszkowanego tytanianu boru. Termistory CTR wytwarza się najczęściej z tlenku wanadu. Odznaczają się tym, że po przekroczeniu pewnej temperatury ich rezystancja gwałtownie maleje. Układy do pomiaru temperatury z termistorem to mostek Wheastone a lub obwód szeregowy. W układzie mostka uzyskujemy termometr o dużej czułości i zerowym wskazaniu na początku skali (gdy mostek jest w równowadze). Najprostszy termometr, o nieliniowej skali uzyskamy po włączeniu czujnika w układ szeregowy.

34 Sensory w pojazdach Przetworniki termistorowe

35 Sensory w pojazdach Przetworniki termistorowe Wygląd zewnętrzny termistorowych czujników temperatury a-czujnik temperatury cieczy chłodzącej, b-czujnik temperatury powietrza zasysanego

36 Elementy fotooporowe Są to elementy, których zasada działania polega na wykorzystaniu zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego. Zjawisko to, zachodzące w wielu ciałach krystalicznych polega na uwalnianiu pod wpływem światła elektronów z atomów. W oporniku elektrycznym pojawiają się swobodne elektrony wytrącone z atomów przez zaabsorbowane fotony (emisja pierwotna) jak również wytrącone przez elektrony pierwotne (emisja wtórna). Pojawienie się elektronów swobodnych, których liczba zależy od przekazanej energii promieniowania świetlnego (widzialnego, podczerwonego lub nadfioletowego), powoduje zmniejszenie się jego oporu elektrycznego.

37 Elementy fotooporowe Charakterystyka fotorezystora selenowego Opór elementu jest funkcją padającego strumienia świetlnego, a dokładniej natężenia oświetlenia.

38 Elementy fotooporowe Fotorezystory wykonuje się z takich materiałów jak: selen ( ext =640 nm) stop siarczku i tlenku talu siarczek ołowiu ( ext =2500 nm) siarczek bizmutu ( ext = nm) CdS, CdSe, CdTe, ZnO, InSb, InAs, Ge, Si Czułość fotorezystorów zależy od: długości fali światła na nie padającego materiału, z którego są wykonane

39 Elementy fotooporowe Wady fotorezystorów: stosunkowo duża bezwładność spadek czułości przy oświetleniu zmiennym znaczny wpływ temperatury na czułość Fotorezystory pracują w obwodach prądu stałego i zmiennego. Służą do wykrywania i pomiaru sygnałów świetlnych (np.: pomiaru światła w aparatach fotograficznych)

40 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.

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

42 Elementy oporowe tensometryczne rodzaje

43 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%

44 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).

45 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

46 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,

47 Elementy oporowe tensometryczne podstawowe parametry cd.

48 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

49 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

50 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.

51 Elementy oporowe tensometryczne półprzewodnikowe zintegrowane kowadełko siatka Monolityczny czujnik przyśpieszeń

52 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.

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

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

55 Elementy oporowe tensometryczne

56 Elementy oporowe tensometryczne przykłady aplikacji

57 Elementy oporowe tensometryczne przykłady aplikacji

58 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

59 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Kolumnowe elementy sprężyste

60 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Cylinder drążony

61 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Tuleja drążona z segmentami

62 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Pierścieniowy przetwornik skręcany

63 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Zmodyfikowane przetworniki pierścieniowe

64 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Odkształcenia belki podwójnie zginanej

65 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki podwójnie zginane

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

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

68 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik sił promieniowych

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

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

71 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki pracujące na ścinanie

72 Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Elementy membranowe

73 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia cylindryczne

74 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Memebranowe przetworniki ciśnienia

75 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia absolutnego

76 Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetwornik ciśnienia

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

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

79 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

80 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

81 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

82 Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (QUANTUMX MX840A)

83 Przetworniki tensometryczne Pierścienie ślizgowe

84 Przetworniki tensometryczne Sumatory

85 Przetworniki tensometryczne Sumatory

86 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

87 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

88 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

89 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

90 Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

91 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;

92 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.

93 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).

94 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)