Pomiary w oparciu o pomiary drogi i różniczkowanie - (elektryczne lub numeryczne)

Transkrypt

1 Pomiary prędkości (kątowej, liniowej) Pomiary w oparciu o pomiary drogi i różniczkowanie - (elektryczne lub numeryczne) Różniczkowanie numeryczne W dziedzinie czasu (ilorazy różnicowe) W dziedzinie częstotliwości.

2 SYGNAŁ x X(jw)=FFT(x(t)) F(jw)=j*w*X(jw) y(t)=real(ifft(f (jw))) Indukcyjne przetworniki prędkości Czujniki elektromagnetyczne 1- trwały magnes, 2 cewka, 3 - zwora Ruch drgający obserwowanego obiektu przenosi się na zworę

3 (3) powodując zmianę odległości y(t) a tym samym zmianę strumienia magnetycznego, który w uzwojeniu cewki 2 indukuje SEM. Czujniki generacyjne nie wymagające zasilania. W wersji bezkontaktowej rolę zwory odgrywa drgający obiekt. Pomiar drgań względnych. Możliwe tylko pomiary dynamiczne W przypadku czujnika bezkontaktowego silne zniekształcenie sygnału wyjściowego dla amplitud drgań większych od 10% szczeliny statycznej. Czułość jest funkcja odległości od obiektu oraz jego parametrów magnetycznych Czułość zwykle rzędu 20[mV]/[cm/s] Czujnik indukcyjny prędkości z masą sejsmiczną (elektrodynamiczny)

4 Ruch magnesu będącego jednocześnie masą sejsmiczną indukuje SEM w uzwojeniach cewki. Rozwiązania z ruchomą cewką lub ruchomym magnesem trwałym. Na tej zasadzie opiera się działanie sejsmografu. Układ względny i bezwzględny czujnika elektrodynamicznego

5 Właściwości: Zakres częstotliwości 10 < f < 1000 Hz (rezonans poniżej 10 Hz) Pomiar prędkości względnej Zakres dynamiczny 1000:1 Czułość zwykle rzędu 300 [mv]/[cm/s] Czujniki generacyjne nie wymagające zasilania. Duży rozmiar (wielokrotnie większe od piezoelektrycznych czujników przyspieszeń) Zużywanie się ruchomych części Wrażliwość na zewnętrzne pola magnetyczne Pewna wrażliwość w kierunkach poprzecznych (trudność w zapewnieniu wyłącznie jednego stopnia swobody dla masy sejsmicznej) Czujniki pracują w zakresie nadrezonansowym co wymaga dużej masy sejsmicznej, wiotkiej sprężyny. Możliwy tylko pomiar dynamiczny Tachogeneratory (prądnice tachometryczne) odwrócenie zasady silnika elektrycznego

6 U=f(ω) Przykładowe parametry Generowane napięcie przy 1000 obr. / min. 30 V (max. prędkość obrotowa 6000 obr. /min. Generowane napięcie przy 1000 obr. / min. 200V (max. prędkość obrotowa 2000 obr. /min. Błąd liniowości 0,5 %. Pomiary optyczne Optyczne systemy pomiaru korelacji

7 Wykonywanie zdjęć (obrazów cyfrowych) co pewien odstęp czasu i analiza intensywności światła determinująca położenie obiektu w czasie (dwa obrazy analizowane pod względem intensywności funkcją korelacji wzajemnej pozwalają na jednoznaczne określenie drogi). Przy znajomości czasu pomiędzy zdjęciami określana jest średnia prędkość. [5] Pomiar prędkości obrotowej za pomocą lampy stroboskopowej [9] Pomiary przyspieszeń

8 Pomiary w oparciu o efekt piezoelektryczny- powstawanie ładunków elektrycznych na zewnętrznych powierzchniach kryształów na skutek odkształcenia siatki krystalicznej pod wpływem obciążenia (tytanian baru, kwarc). [5] Podłużny efekt piezoelektryczny lub efekt piezoelektryczny pod wpływem naprężeń tnących [9] Do pomiaru przyspieszeń stosuje się czujniki z masą sejsmiczną (pomiary bezwzględne).

9 [9] [9] [3] U=f (F(a)) Właściwości:

10 Czujniki piezoelektryczne nie mogą być z zasady stosowane do pomiarów statycznych. Zakres od 0,1 Hz do kilkunastu khz (zależy od masy sejsmicznej i sprężystości elementów mocujących) Zakresy mierzonych przyspieszeń nawet do 1000g Pewna czułość w kierunku poprzecznym [9] Czułość mv/g Czujniki generacyjne Mogą być realizowane także jako trójosiowe. Charakterystyka dynamiczna Zakres użyteczny 0,3-0,5 fr Charakterystyka statyczna

11 Dolna granica wynika z szumów przedwzmacniacza Górna z wytrzymałości mechanicznej czujnika Większa czułość = większa masa sejsmiczna = mniejszy zakres częstotliwości [9]

12 Z powodu pracy w obszarze przedrezonansowym w przypadku występowania w obszarze rezonansu istotnych przyspieszeń (jeżeli nie są przedmiotem zainteresowania) konieczność stosowania filtru mechanicznego (poprawienie stosunku sygnału do szumu) [9]

13 Pomiary w oparciu o efekt piezooporu (czujniki piezorezystancyjne, piezooporowe mikromechaniczne czujniki przyspieszenia ) zmiana przewodnictwa elektrycznego pod wpływem naprężeń wywołanych siłami zewnętrznymi powodującymi odkształcenia. Czujniki z masą sejsmiczną pracujące ze zwykłym mostkiem tensometrycznym. Zmiana oporności wywołana obciążeniem moduluje amplitudę sygnału nośnego (przetwornik przyspieszeń bezwzględnych, parametryczny wymagający zasilania). [5] Właściwości: Czułości rzędu 1mV/g (konieczność stosowania nowoczesnych mostków tensometrycznych) Dostępne zakresy od 1g do 10 6 g. Pasmo przenoszenia od 0Hz nawet do kilkuset khz (limitowane częstotliwością nośną mostka) Możliwość pomiaru statycznego i kwazistatycznego (bardzo powolne procesy przyspieszeń). Wynika stąd zależność pomiaru od kierunku działania czujnika (przyspieszenie ziemskie) Możliwość zintegrowania czujnika i mostka w jednym układzie. Możliwość realizacji czujników dwu i trójosiowych. Zastosowanie w poduszkach powietrznych ( crash sensors )

14 Pomiary w oparciu o zmianę pojemności (pojemnościowe mikromechaniczne czujniki przyspieszenia) Czujniki pojemnościowe przyspieszeń z masą sejsmiczną. Masa sejsmiczna umocowana sprężyście stanowiąca jednocześnie dielektryk zmienia położenie pomiędzy okładkami kondensatora [5] Właściwości Dostępne zakresy od 1g do 10 6 g. Pasmo przenoszenia od 0Hz Możliwość pomiaru statycznego i kwazistatycznego (bardzo powolne procesy przyspieszeń). Wynika stąd zależność pomiaru od kierunku działania czujnika (przyspieszenie ziemskie) Możliwość łatwego zintegrowania czujnika i elektroniki w jednym układzie Możliwość realizacji czujników dwu i trójosiowych. Zastosowanie w poduszkach powietrznych ( crash sensors )

15 Pomiary prędkości i przemieszczeń w oparciu o całkowanie sygnału przyspieszeń (prędkości). Elektroniczne układy całkujące (usunięcie stałej składowej z sygnału filtracja górno-przepustowa) Numerycznie w dziedzinie czasu i częstotliwości SYGNAŁ x X(jw)=FFT(x(t)) F(jw)=X(jw)/jw y(t)=real(ifft(f (jw)))

16 Pomiary odkształceń Pomiary w oparciu o tensometry oporowe czujniki rezystancyjne (przewodnik elektryczny o dużej oporności naklejony na podkładkę nośną). Wykorzystuje się zjawisko zmiany oporności w raz ze zmianą długości przewodnika. R(l) gdzie l to długość przewodnika Tensometry rezystancyjne przykleja się do powierzchni konstrukcji i ze względu na znikomą sztywność elementy tensometru podlegają tym samym odkształceniom co podłoże. Tensometr foliowy R = kε R ε - wydłużenie względne Dla tensometrów foliowych stała tensometru k~2. Pomiar może odbywać się w oparciu o układy mostkowe stałoprądowe (obecnie rzadko stosowane) i zmiennoprądowe. Wadą mostków zmiennoprądowych jest ograniczenie pasma do ok. 0,3 częstotliwości fali nośnej. Zasada pomiaru opiera się wtedy na modulacji generowanego sygnału o częstotliwości nośnej przebiegiem mierzonym.

17 1- mostek pomiarowy (w układzie mostka znajdują się tensometry a pozostałe oporności są stałe (tzw. półmostek, mostek), 2 generator fali nośnej, 3- wzmacniacz, 4 demodulator (usunięcie fali nośnej), 5 wskaźnik, 6 rejestrator. Mostki stało prądowe brak ograniczeń częstotliwościowych, brak wpływu zmian pojemności (np. przewodów), konieczność wzmacniania napięć stałych.

18 Zasady doboru tensometru i kleju: stała wartość k dla szerokiego zakresu odkształceń, duża wartość k brak histerezy tensometru i kleju brak pełzania czujnika i warstwy kleju mały współczynnik termicznych zmian rezystancji współczynnik rozszerzalności liniowej czujnika taki sam jak dla elementu na którym naklejany jest tensometr długoczasowa stabilność parametrów czujnika mała aktywność chemiczna kleju Właściwości: Czujniki parametryczne (parametr rezystancja) Pomiary statyczne i dynamiczne (zakres do ok. 2kHz) Dla tensometrów foliowych względna zmiana rezystancji osiąga ok. 1% (efekt do pomiaru odkształcenia) natomiast przy zmianie temperatury o 10 o C rezystancja zmienia się np. o 4% dla miedzi. Tensometry wykonane są z materiałów o małym współczynniku temperaturowym i stosuje się układy różnicowe 2 lub 4 tensometry. Przykładowa kompensacja temperatury (tensometr kompensacyjny w kierunku prostopadłym do odkształcenia)

19 Pomiary w oparciu o tensometry półprzewodnikowe (efekt piezorezystywny) podczas wydłużania materiały te wykazują silną zmianę oporności. Bardzo duża czułość - stała k jest rzędu 100 (nawet do 200) Duży wpływ temperatury na pomiar dodatkowo zależność rezystancji od temperatury jest nieliniowa Skomplikowane mocowanie do odkształcalnego ciała.

20 Pomiar naprężeń Prawo Hooke a w zakresie odkształceń sprężystych σ = Eε W ogólnym przypadku (jeżeli nie znamy kierunku odkształceń głównych) pełne określenie stanu naprężeń (określenie naprężeń głównych i kąta pomiędzy nimi dla dwuosiowego stanu naprężeń) wymaga stosowania rozet tensometrycznych i uogólnionego prawa Hooke a.

21 Pomiar sił Do pomiaru sił dają się zastosować, w kombinacji z ciałami odkształcalnymi, wszystkie metody za pomocą których można zmierzyć wydłużenie lub ugięcie (dla pomiarów statycznych np. dynamometr ugięcie- rozciągnięcie sprężyny, ugięcie belki pod działaniem siły i pomiar czujnikiem zegarowym tego ugięcia itp.) F=kx Pomiary tensometryczne wykorzystanie informacji o odkształceniu ε = Przykład siłomierz tokarski 6Fl Ebh 2

22 Pomiary statyczne i dynamiczne zakresy od 0 do? (w zależności od częstotliwości drgań własnych układu Czujniki z wielokrotnie zginaną belką [5]

23 Optyczne metody pomiaru sił Zastosowanie fotodiod różnicowych i kwadrantowych wykorzystanie efektu fotoprzewodnictwa (wzrost przewodnictwa elektrycznego pod wpływem padającego światła) - zmiana prądu w zależności od strumienia światła [5] [5] Mierzalne są przesunięcia kilku mikrometrów w zakresie do kilku milimetrów

24 Pomiary piezoelektryczne Czujnik siły Głowica impedancyjna [9] Przetwornik siły montowany jest na drodze transmisji siły. Wyznaczanie impedancji mechanicznej [9] Pomiar zarówno sił rozciągających jak i ściskających (element piezoelektryczny wstępnie ściśnięty) Możliwe pomiary semi-statyczne i dynamiczne.

25 Magnetosprężyste czujniki siły Zjawisko Villariego (efekt magnetosprężysty) - odwrotne do magnetostrykcji namagnesowanie ferromagnetyka rośnie lub maleje pod wpływem działania sił zewnętrznych (obciążenia). Zastosowanie w przetworniku nacisku dla bardzo dużych obciążeń (presduktor). Czujnik wyposażony w dwie cewki (wzbudzenia i odbiorczą). W wyniku działania sił zewnętrznych zmienia się kierunek pola magnetycznego co z kolei zmienia wartość indukowanego napięcia w cewce odbiorczej. Metody kompensacyjne pomiaru sił Waga kompensacyjna. [5] Wielkość wychylania wywołanego działaniem siły F jest rejestrowana za pomocą czujnika przemieszczeń (np. indukcyjnego). Przez obwód regulacji nastawiana jest siła przeciwna, która kompensuje wychylenie systemu (układy elektromagnetyczne). Zastosowana elektryczna wielkość nastawcza (prąd, napięcie) prowadząca do zrównoważenia układu jest miarą działającej siły. Pomiary bardzo precyzyjne.

26 Pomiar momentów Pomiar momentu w oparciu o metody tensometryczne. Głowica pomiarowa (tensometryczna) 3 składowe sił i momenty względem 3 osi [5]