SENSORY W BUDOWIE MASZYN I POJAZDÓW

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

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.

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

Elementy oporowe tensometryczne rodzaje

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 (-200 - +250 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%

Elementy oporowe tensometryczne względna czułość (stała) tensometru k R R Dla metali k= -12... +19; Dla półprzewodników k= 60... 175 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. 1 + 2 - wpływ zmian rozmiarów geometrycznych (dominujący w tensometrach metalowych), C-2C wpływ zmian rezystywności (dominujący w tensometrach półprzewodnikowych).

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 1,025 10 3 120 k 2,1 0,488 10 Dla konstantanu: k=2,1 R =10-5 /K (-3,9*10-6... 6*10-3 ) 1 2,05 3 1,025 10 0,123 10 3 0,488 10 3 3 0,488% o

Elementy oporowe tensometryczne podstawowe parametry Wielkość charakterystyczna Materiał siatki rezystancyjnej Tensometry drutowe foliowe półprzewodnikowe Konstantan Nichrom Elinwar Drut 12..50 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, 1000 10..100000 Długość bazy pomiarowej [mm] 3..150 0,2..150 0,2..20 Stała tensometru 2,1 (Konstantan) 2,1 (Nichrom) -100..200 3,6 (Elinwar) Liniowość [%] 0,1 ( <0,4%) 1 ( <1%) 1 ( <0,1%) Dopuszczalne odkształcenie [%] 1..2 3..4 0,5 Liczba cykli (trwałość dynamiczna) 10 7 10 6 Współczynnik temperaturowy rezystancji [( R/R)/K] -3,9 10-6..6 10-3 10-5 6 10-4..3 10-3

Elementy oporowe tensometryczne podstawowe parametry cd.

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

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

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.

Elementy oporowe tensometryczne półprzewodnikowe zintegrowane kowadełko siatka Monolityczny czujnik przyśpieszeń

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 1 3 2 R4 Napięcie niezrównoważenia: U E R 3 R3 R 4 R2 R R 1 2 Metoda zerowa. Metoda wychyłowa. Zasilanie prądem stałym i przemiennym.

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

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

Elementy oporowe tensometryczne

Elementy oporowe tensometryczne przykłady aplikacji

Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Kolumnowe elementy sprężyste

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Cylinder drążony

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Tuleja drążona z segmentami

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Pierścieniowy przetwornik skręcany

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Zmodyfikowane przetworniki pierścieniowe

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Odkształcenia belki podwójnie zginanej

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki podwójnie zginane

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

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

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik sił promieniowych

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Przetwornik z wieloma belkami zginanymi

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

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Belki pracujące na ścinanie

Przetworniki tensometryczne Pomiary siły / ważenie Elementy membranowe

Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia cylindryczne

Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Memebranowe przetworniki ciśnienia

Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetworniki ciśnienia absolutnego

Przetworniki tensometryczne Pomiary ciśnienia Przetwornik ciśnienia

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

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

Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (Spider8)

Przetworniki tensometryczne Układy połączeń (QUANTUMX MX840A)

Przetworniki tensometryczne Pierścienie ślizgowe

Przetworniki tensometryczne Sumatory

Sensory w pojazdach Przetworniki tensometryczne

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;

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.

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).

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)