CZUJNIKI I UKŁADY POMIAROWE

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Instytut Techniki Lotniczej i Mechaniki Stosowanej Zakład Automatyki i Osprzętu Lotniczego CZUJNIKI I UKŁADY POMIAROWE Czujniki przykładowe rozwiązania

2 Czujniki położenia (pozycji) i przemieszczenia Położenie (pozycja) określenie współrzędnych obiektu w wybranym układzie współrzędnych Przemieszczenie zmiana pozycji Czujniki zbliżeniowe wskazanie odległości granicznej (wyznaczenie progowej wartości pozycji) 2

3 Czujniki położenia i przemieszczenia czujniki potencjometryczne Potencjometry liniowe lub obrotowe Zasada działania rezystancja jest zależna od odległości Czujniki aktywne prąd musi przepływać przez element rezystancyjny Błąd - zmienność pola elektromagnetycznego E Wpływ temperatury nie wpływa na dokładność pomiaru (istotna jest zmiana rezystancji, a nie jej wartość aktualna) Rezystor drutowy suwakowy niepewność pomiaru kontakt z 2 drutami v d E D 3

4 Czujniki położenia i przemieszczenia czujniki potencjometryczne Potencjometryczny czujnik położenia czuły na nacisk Wady znaczne siły mechaniczne (tarcie) wymaga fizycznego połączenia z obiektem niska prędkość tarcie i generowane napięcie powodują nagrzewanie czujnika wpływ warunków środowiskowych (zużycie, wrażliwość na pył) Czujniki bezdotykowy magnetyczny docisk działanie pola magnetycznego 4

5 Czujniki położenia i przemieszczenia czujniki pojemnościowe Czujniki pojemnościowe przemieszczenie elektrody wywołuje zmianę pojemności 5

6 Czujniki Hall a przemieszczenie liniowe przełączniki przerwanie obwodu przemieszczenie kątowe 6

7 Czujniki prędkości i przyspieszenia Magnetyczny czujnik prędkości 7

8 Czujniki prędkości i przyspieszenia Pomiar przyspieszenia II zasada Newtona F ma Zazwyczaj pomiar siły działającej na masę pomiarową a F m 8

9 Czujniki prędkości i przyspieszenia Przyspieszeniomierze pojemnościowe Przyspieszeniomierz piezorezystancyjny pomiar naprężeń sprężyn, na których zawieszona jest masa 9

10 Czujniki prędkości i przyspieszenia Przyspieszeniomierz piezoelektryczny pomiar naprężeń kryształu, do którego dołączona jest masa 10

11 Czujniki prędkości i przyspieszenia Giroskopy Giroskop mechaniczny T I Giroskopy wibracyjne Przyspieszenie Coriolis a obiekt porusza się liniowo w układzie, który obraca się wzdłuż osi prostopadłej do kierunku ruchu Prosty oscylator (masa na sprężynie, belka) Kamerton Powłoka rezonująca 11

12 Czujniki prędkości i przyspieszenia Giroskopy optyczne porównanie drogi przebytej przez promienie w dwóch przeciwnych kierunkach Światłowodowe Laserowe 12

13 Czujniki naprężenia i ciśnienia zależności fizyczne Pomiar naprężenia i ciśnienia: pomiary pośrednie siły lub masy jednostki: 1N = 1 kg*m/s 2, 1 Pa = 1 N/m 2, 1 PSI = 6896 Pa W elektronicznym układzie lub systemie pomiarowym czujniki rezystancyjne czujniki pojemnościowe R rezystancja, l t długość przewodu, A t pole przekroju przewodu, ρ opór właściwy F l lt ; ; R A l E A Pomiar ciśnienia względnego lub absolutnego t 13

14 Czujniki naprężenia tensometry Tensometr rezystancyjny (rezystor drutowy) czujnik do pomiaru naprężeń mechanicznych zasada działania odkształcenie powoduje zmianę rezystancji z R na R+ΔR wpływ naprężeń: rezystywność i długość drutu tensometru rośnie pole przekroju poprzecznego drutu maleje materiał: drut metalowy lub półprzewodnik 14

15 Czujniki naprężenia tensometry Tensometr rezystancyjny (rezystor drutowy) materiał: drut metalowy; stopy niklu i miedzi z innymi metalami: konstantan, manganin, nichrom i chromel tensometry metalowe: czujniki niskoomowe - rezystancja spoczynkowa (bez naprężeń) od 100 do 200 Ω czujniki wysokoomowe - rezystancja spoczynkowa 500 Ω, 1 k, 2 k i 5 kω część czuła tensometru - ścieżka rezystancyjna, w postaci: kratki: długość (0,1-10 mm), szerokość (1 mm - 5 mm) spirali rozety: średnica 5-25 mm rodzaj folii dostosowany do: wsp. wydłużenia badanego materiału (stali, aluminium lub drewna) zakresu temperatury pracy tensometru 15

16 Czujniki naprężenia tensometry Tensometr rezystancyjny układ pomiarowy układ pomiarowy przetwarzanie małych zmian rezystancji czujnika na prąd wyjściowy lub napięcie wyjściowe mostki np. mostek Wheatstone a większa czułość kompensacja wpływu temperatury sygnał analogowy można zamienić na cyfrowy ćwierć mostek (quarter bridge) układ z jednym aktywnym tensometrem w celu ograniczenia wpływu temperatury na czujnik i na wskazania mostka oprócz tensometru aktywnego stosuje się w układzie tensometr kompensacyjny tensometr kompensacyjny powinien być umieszczony możliwie blisko tensometru aktywnego, aby być w tej samej temperaturze tensometr kompensacyjny nie może być poddany mierzonym naprężeniom tensometr kompensacyjny tensometr aktywny 16

17 Czujniki naprężenia tensometry półmostek (half bridge) układ z dwoma tensometrami aktywnymi poddanych działaniu naprężeń o przeciwnym zwrocie, np. umieszczonych odpowiednio na płaszczyźnie rozciąganej (powierzchnia górna) i płaszczyźnie ściskanej (powierzchnia dolna) zginanej belki, zapewnia kompensację wpływu temperatury na napięcie wyjściowe układu półmostek pełny mostek (full bridge) układ z czterema tensometrami aktywnymi większa czułość systemu do pomiaru naprężeń pełny mostek 17

18 Rezystancyjny czujnik ciśnienia Czujnik ciśnienia lub nachylenia V out R V R 18

19 Pojemnościowe czujniki siły i ciśnienia elektrody izolatory zakres pomiarowy: Pa 0 40 MPa znorm. prądowy sygnał. wyj ma Pojemność między okładzinami kondensatora jest funkcją odległości okładek x, (a pośrednio ciśnienia, które powoduje przemieszczanie okładzin kondensatora): C S k x 1 x p ε x - przenikalność dielektryczna, S - powierzchnia okładzin kondensatora x - odległość między okładzinami, p - ciśnienie, k1 - wsp. przetwarzania czujnika pojemnościowego 19

20 Piezoelektryczne czujniki ciśnienia Budowa postać kondensatora płytkowego o metalowych okładzinach (płytkach) i z izolatorem z krystalicznego materiału piezoelektrycznego między okładzinami Przykład: mikrofon wzmacniacz napięcia z czujnika piezoelektrycznego ciśnienie powietrza syg. elektryczny Zjawisko piezoelektryczne V powstawanie ładunku elektrycznego Q pod wpływem siły lub naprężeń napięcie Vx proporcjonalne do ładunku i naprężeń x Q kp C 20

21 Piezoelektryczne czujniki ciśnienia Materiał piezoelektryczny na czujniki ciśnienia kwarc, sól Rochelle i grupa materiałów ceramicznych Zalety: szeroki zakres pomiarowy (od 100 kpa do 100 MPa) liniowość (błąd nieliniowości 0,2%) mały współczynnik temperaturowy mała histereza 21

22 Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia Sygnał wejściowy wielkość elektryczna Materiały membrana (mieszek) tensometr na powierzchni membrany krzem (silicon), german Możliwość pomiaru ciśnienia absolutnego, ciśnienia względnego lub różnicy ciśnień 22

23 Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia Wyższa czułość niż tensometry metalowe tensometry półprzewodnikowe: większa zmiana oporności wyższy współczynnik temperaturowy αt górna temperatura zakresu pracy tensometrów półprzewodnik około100 C metal do 600 C. Półprzewodnikowe czujniki ciśnienia zmiana stałej tensometrycznej k 10% dla ΔT = 1 C konieczność kompensacji wpływ temperatury na układ właściwości cieplne tensometrów półprzewodnikowych wyraźnie gorsze zastosowanie w jednej strukturze czujnika naprężeń i elementu termoczułego (czujnik temperatury) element termoczuły - wewnętrzna kompensacja temperatury w scalonym czujniku zaciski elementu dostępne w obudowie układu scalonego (zewnętrzna kompensacja strain sensor + temperature sensor) czujnik ciśnienia o wewnętrznej kompensacji cieplnej zależność napięcia wyjściowego od temperatury współczynnik = około 0,2%/ C 23

24 Piezorezystancyjne czujniki ciśnienia Zakresy pomiarowe czujniki podciśnienia (p < 1 bar) czujniki ciśnienia niskiego (0,8 bar < p < 2 bar) czujniki ciśnienia wysokiego (p > 2 bar) 24

25 Czujniki temperatury Rodzaje czujników rezystancyjne termoelementy półprzewodnikowe Rezystancyjne czujniki ciśnienia i termoelementy metale jednorodne (platyna, nikiel i miedź) wysoki współczynnik temperaturowy zmiany oporności (czułość) wysoka temperatura topnienia u stała charakterystyka termoelektryczna węgiel materiały półprzewodnikowe (termistory) Precyzyjne pomiary temperatury - czujniki platynowe (Pt100) (T= 0 C R=100 Ω) drut platynowy zatopiony w osłonie z materiału ceramicznego pręciki: długość mm i średnica 2,5 8 mm elastyczna folia platynowa o grubości 5 m 25

26 Czujniki temperatury Rezystancja czujnika Pomiary przemysłowe - wielka przewaga platyny nad niklem i miedzią mała aktywność chemiczna długi czas używania czujnika platynowego bez istotnych zmian jego parametrów nawet w warunkach wysokiej temp., sprzyjających utlenianiu metalu wysoka temperatura topnienia wyższa dopuszczalna temperatura pracy czujnika platynowego w porównaniu z czujnikiem niklowym lub miedzianym 26

27 Czujniki temperatury Termopary para drutów metalowych złączonych na końcach metodą spawania, lutowania lub skręcenia na styku drutów lub prętów wykonanych z dwóch różnych metali lub stopów metalowych kontaktowa różnica potencjałów E12 Elektrody termoelementu w postaci drutu = 0,2-5 mm (bez metali szlachetnych) = 0,1 mm, 0,35 mm i 0,5 mm (platyna lub stopy z zawartością Pt) w postaci taśmy metalowej Gabaryty elektrody wpływają na własności czujnika większa średnica elektrody wyższa trwałość niższy opór większa bezwładność cieplna 27