5. Przetworniki drgań

5. Przetworniki drgań

Typy przetworników drgań Wyróżniamy następujące podstawowe rodzaje przetworników drgań: 1. Wiroprądowe czujniki przemieszczenia. Bezstykowe przetworniki przemieszczenia (statycznego i dynamicznego) metalicznych elementów konstrukcji wykorzystujące pomiar zmian pola magnetycznego w otoczeniu badanego elementu wynikającego ze zmienności prądów wirowych indukowanych w masywnym, przewodzącym elektrycznie obszarze. 2. Pojemnościowe czujniki przemieszczenia. Bezstykowe przetworniki pojemności pomiędzy mierzonym obiektem a sensorem pomiarowym. 3. Laserowe czujniki prędkości. Bezstykowe czujniki zmiany częstotliwości koherentnej odbitej fali laserowej wynikającej z prędkości drgań mierzonej powierzchni tzw. Efekt Dopplera. 4. Piezoelektryczne czujniki przyspieszenia. Stykowe czujniki zmiany ładunku elektrycznego na powierzchni piezoelektrycznego obszaru poddanego naprężeniom mechanicznym.

Względna czułość Własności przetworników drgań Niezależnie od budowy i zasady działania czujniki drgań wymagają dodatkowych układów elektronicznych przetwarzających mierzony sygnał na użyteczną wielkość końcową. A/D Sensor z przedwzmacniaczem Filtr dolnoprzepustowy Wzmacniacz Przetwornik Analizator Podstawowe parametry czujnika: 1. Pasmo przenoszenia zakres częstotliwości w którym czułość nie ulega zmianie. 2. Czułość iloraz napięcia wyjściowego do wielkości mierzonej. 3. Rozdzielczość średnia wartość szumu szerokopasmowego w sygnale. 4. Dokładność błąd pomiaru (względny lub bezwzględny). 5. Zakres stosowania ograniczenia termiczne, geometryczne, elektromagnetyczne itp.. [db] 30 20 10 0 0.0001 Pasmo przenoszenia granica +10% w r 0.3 0.001 0.01 0.1 Względna częstotliwość 1.0 w r

Wiroprądowe czujniki przemieszczenia Budowa i zasada działania W obudowie wykonanej ze stali niemagnetycznej umieszczona jest cewka pomiarowa zasilana napięciem o częstotliwości ~ 1 MHz. Po zbliżeniu do powierzchni metalicznego obiektu indukują się w niej prądy wirowe, których reakcja osłabia pole źródłowe zmieniając w ten sposób impedancję obwodu. Wielkość tej zmiany ta jest zależna od odległości pomiędzy czujnikiem i docelową powierzchnią a także od rodzaju materiału z jakiego jest ona wykonana. Pozwala to na określenie zależności pomiędzy natężeniem prądu i odległością. Czujniki wiroprądowe nie mogą mierzyć położenia w stosunku do zbyt cienkich taśm. d Obszar pomiarowy (3 5)d LION Precision TechNote, LT 05-0011

Wiroprądowe czujniki przemieszczenia Podwójny sensor Ogniskowanie rozkładu gęstości prądu Pojedyncza cewka [ A/m ] Podwójna cewka prądy przeciwne Podwójna cewka prądy zgodne [ mm ] A Wide Linear Range Eddy Current Displacement Sensor Equipped with Dual-Coil Probe Applied in the Magnetic Suspension Flywheel, J.Fang,T. Wen, Sensors 2012, 12(8), 10693-10706

Wiroprądowe czujniki przemieszczenia Parametry ECL-202 Zakresy pomiarowe (zależnie od wyboru sensora) Sensor Szczelina min. [ mm ] Szczelina max. [ mm ] Rozdzielczość [ nm ] dla pasma przenoszenia 100 Hz 1 khz 10 khz 15 khz U3 0.05 0.50 25 30 60 65 U12 0.60 3.50 60 90 210 240 U50 2.0 15.0 300 400 800 900 ECL-202, LION Precision Olympus Wybór sensorów I oprzyrządowania

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia Budowa i zasada działania W obudowie wykonanej ze stali niemagnetycznej umieszczona jest elektroda pomiarowa zasilana napięciem o częstotliwości ~ 1 MHz. Jest ona oddzielona warstwą izolacji od również stalowego ekranu pełniącego rolę koncentratora pola elektrycznego poprzez wytworzenie oddzielnego pola elektrycznego. Obudowa czujnika jest odizolowana od ekranu i uziemiona. Pojemność obwodu elektrody pomiarowej zależy od odległości do mierzonej powierzchni, stąd wielkość prądu płynącego przez tę elektrodę jest również zależna od tej odległości i poprzez układ kondycjonowania sygnału wytwarzane jest napięcie o wartości proporcjonalnej do poszukiwanej wielkości. Pomiar odległości może być wykonany względem obiektów wykonanych z dowolnego materiału Wskazania czujników pojemnościowych są bardzo wrażliwe na obecność wilgoci i zabrudzeń w szczelinie pomiarowej. LION Precision TechNote, LT 05-0011

Pojemnościowe czujniki przemieszczenia Parametry CPL190 Zakresy pomiarowe (zależnie od wyboru sensora). Średnica sensora [ mm ] Szczelina min. [ mm ] Szczelina max. [ mm ] Rozdzielczość [ nm ] dla pasma przenoszenia 100 Hz 1 khz 10 khz 15 khz 0.5 0.05 0.10 0.3 0.5 3.0 4.0 5.6 0.50 1.00 2.5 3.0 7.0 10.0 21.0 5.0 13.0 75 100 130 150 LION Precision TechNote, LT 05-0011

Czujniki przemieszczenia Porównanie Kryterium Zanieczyszczone środowisko Sensor pojemnościowy Sensor wiroprądowy 0 Małe obiekty Duża szczelina Cienkie obiekty Niejednorodność materiału Obiekty niemetaliczne 0 Rozdzielczość Koszt 0 niemożliwe możliwe zalecane

Czujniki przemieszczenia Zastosowania Pozycjonowanie substratu krzemowego Pomiar grubości powłoki Pomiar stanu technicznego drewnianej ramy okna Wykrywanie podwójnych arkuszy (drukarki, kopiarki, liczniki banknotów

Laserowy przetwornik prędkości Efekt Dopplera Jeżeli źródło fali mechanicznej drgające z częstotliwością f 0 porusza się z prędkością względem obserwatora v to obserwowana długość tej fali wynosi v cos α λ = λ 0 + f 0 Przy stałej prędkości c rozchodzenia się fali w danym ośrodku pozorna częstotliwość źródła wyniesie f=c/l. Prowadzi to do relacji: 1 f = f 0 v cos α 1 + c lub obserwator a V>0 v cosα = c f 0 f 1

Laserowy przetwornik prędkości Budowa i zasada działania Wiązka lasera HeNe pada przez układ optyczny głowicy na badany obiekt i odbita wraca do detektora. Po zmieszaniu z promieniem referencyjnym tworzy prążki Laser interferencyjne o przesunięciu zależnym od zmiany odległości Dr przebywanej przez promień pomiarowy. Natężenie oświetlenia detektora I tot I tot = I p + I ref + 2 I p I ref cos ( 2πΔr ) λ gdzie długość fali lasera l=316 nm Nałożenie w krysztale Bragg a modulacji o częstotliwości 50 MHz pozwala na detekcję zmiany częstotliwości wynikającej z prędkości drgań (efekt Dopplera). f L Lustro Rozdzielacz wiązki Promień referencyjny Modulator Bragg a Promień pomiarowy f L +f B Promień odbity f L Rozdzielacz wiązki f L +f D Rozdzielacz wiązki Detektor Optyka Obiekt POLYTEC PSV-500

Laserowy przetwornik prędkości Rodzaje przetworników Polytec Kompaktowa głowica FoV 3x4 mm, odl. < 0.3m plamka > 15 mm Światłowodowy miernik różnicowy FoV 3x4 mm, odl. < 1m, plamka > 15 mm Głowica skanująca PSV-500, f=0-50 (1000) khz FoV 50x40 deg, odl. 0.25-30m, zakres 0.01-10m/s Robot do pomiaru wibracji 3D

Laserowy przetwornik prędkości Przykłady zastosowań Postać drgań głośnika Postacie drgań skrzypiec Detekcja wewnętrznych drgań u człowieka Pomiary MEMS

Laserowy przetwornik prędkości Pomiary drgań transformatora

Piezoelektryczność: Wytworzenie pola elektrycznego w materiale w wyniku zmiany kształtu tego materiału (sensory deformacji), lub Zmiana kształtu materiału w wyniku pojawienia się pola elektrycznego (aktuatory deformacji). Piezoelektryczność w naturalnych materiałach występuje gdy mają one uporządkowaną strukturę krystaliczną np. kwarc. W zastosowaniach przemysłowych kryształy są wytwarzane a nie kopalne. Piezoelektryczność Zjawiska fizyczne Kryształy kwarcu Aby kryształ miał własności piezoelektryczne musi być wstępnie spolaryzowany. - + + + + + + + + + + + + + + C P e B C e = B A E A E - - - - - - - - - A B C + - - - - - - - - - elementarny wektor polaryzacji P e wektor polaryzacji, E wektor natężenia pola elektrycznego e = wydłużenie w kierunku polaryzacji

Ceramika piezoelektryczna Wykonanie i zastosowania Najczęściej wykorzystywanym materiałem piezo-ceramicznym jest proszek: ołów (P) + tlenek cyrkonu (Z) + tlenek tytanu (T) związany żywicami bądź spieczony, oznaczany zwykle skrótem PZT. Zaletą tego rodzaju materiału jest szeroki zakres częstotliwości pracy uzyskiwane przyspieszenie jest rzędu 10 5 m/s 2 przy przemieszczeniu 0.1 mm oraz znaczne siły rzędu 100 kn. Wadą aktuatorów jest konieczność stosowania relatywnie wysokich napięć (500-1000)V, niewielkie przemieszczenie robocze oraz zmniejszanie własności piezoelektrycznych w miarę upływu czasu. Wykorzystuje się przy budowie wzbudników wielkich sił do precyzyjnych mikro-przesunięć oraz sensorów przyspieszeń o znacznych częstotliwościach - nawet ultradźwiękowych. Elementy PZT Stałe eksploatacyjne: d 33 =e/u=q/f (300-600)pm/V (pc/n) g 33 =E/t 0.025 (V/m)/(N/m 2 ) e przemieszczenie, U - napięcie q ładunek, F siła, t=f/a - naprężenie E natężenie pola elektrycznego Sensor Wzbudnik Stos piezoceramiczny

Piezoelektryczny przetwornik przyspieszenia Zasada działania Siły rozciągające sprężynę F K = K e m e M = K e Bilans sił dla masy sejsmicznej m d2 e m dt 2 = F K Ustalone drgania spełniają d 2 e m dt 2 d2 e M dt 2 = F K m F K + F M Bilans sił dla masy podstawy M d2 e M dt 2 = +F K + F m M F K e m e M x masa sejsmiczna m PZT Masa podstawy M F M sin ωt Dla sygnałów harmonicznych ω 2 e = K e Dla M>>m M + m mm F M M F M M A M = K m ω2 e K m = ω 1 2 Ostatecznie amplituda przyspieszenia podstawy A M A M = ω 1 2 e 1 ω ω 1 2 Ładunek elektryczny q na elektrodach PZT = F K m 1 ω ω 1 m q = d 33 F K = d 33 A M 1 ω 2 ω 1 2

Piezoelektryczny przetwornik przyspieszenia Struktura (Bruel&Kjaer) docisk masa sejsmiczna PZT PZT masa sejsmiczna docisk podstawa podstawa PZT ściskany F + + + + + + + PZT swobodny + + + + + + + PZT ścinany Du U 0 +Du U 0 F Wzrasta pojemność PZT F Obrót wektora polaryzacji F

Piezoelektryczny przetwornik przyspieszenia Wpływ sposobu montażu sonda dotykowa magnes klej a b c d śruba [db] 30 20 10 0 Względna czułość a b c d f 10 2 10 3 10 4 10 5 [Hz] Katalogowa charakterystyka częstotliwościowa czułości przetwornika odnosi się do idealnie sztywnego jego zamocowania (d).

Piezoelektryczny przetwornik przyspieszenia Analiza drgań eksploatacyjnych chłodziarki http://bksv.com/

Piezoelektryczny przetwornik przyspieszenia Analiza drgań eksploatacyjnych maszyny wyciągowej