Technika sensorowa. Czujniki wielkości mechanicznych. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

Podobne dokumenty
Technika sensorowa. Czujniki piezorezystancyjne. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel

Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne. Sensory (czujniki)

Temat ćwiczenia. Pomiary drgań

DIAGNOSTYKA MASZYN POMIARY

(zwane również sensorami)

Technika sensorowa. Wiadomości wstępne, charakterystyki czujników. dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel.

PRZETWORNIKI POMIAROWE

BADANIE PROSTEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO POMIAR NAPRĘŻEŃ

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2014/15

MECHANIKA PRĘTÓW CIENKOŚCIENNYCH

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO I JEGO ZASTOSOWANIA

Zjawisko piezoelektryczne 1. Wstęp

Wytrzymałość Materiałów

Mikrosystemy Wprowadzenie. Prezentacja jest współfinansowana przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego w projekcie pt.

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

Pytania przygotowujące do egzaminu z Wytrzymałości Materiałów sem. I studia niestacjonarne, rok ak. 2015/16

Wyznaczanie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego (Katera)

Czujniki. Czujniki służą do przetwarzania interesującej nas wielkości fizycznej na wielkość elektryczną łatwą do pomiaru. Najczęściej spotykane są

wiczenie 15 ZGINANIE UKO Wprowadzenie Zginanie płaskie Zginanie uko nie Cel wiczenia Okre lenia podstawowe

Równania różniczkowe opisujące ruch fotela z pilotem:

WYZNACZANIE MODUŁU SZTYWNOŚCI METODĄ DYNAMICZNĄ

Materiał do tematu: Piezoelektryczne czujniki ciśnienia. piezoelektryczny

Fizyka 11. Janusz Andrzejewski

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXIII: Przypomnienie: statyka

PRZETWORNIKI PIEZOKWARCOWE

ZJAWISKO PIEZOELEKTRYCZNE.

POMIAR DRGAŃ I ROZKŁADU TEMPERATUR W MASZYNACH ROBOCZAYCH

SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE

Podstawowe przypadki (stany) obciążenia elementów : 1. Rozciąganie lub ściskanie 2. Zginanie 3. Skręcanie 4. Ścinanie

POLITECHNIKA ŁÓDZKA INSTYTUT FIZYKI LABORATORIUM FIZYKI KRYSZTAŁÓW STAŁYCH. ĆWICZENIE Nr 2. Badanie własności ferroelektrycznych soli Seignette a

Bryła sztywna. Fizyka I (B+C) Wykład XXI: Statyka Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 1: Wahadło fizyczne. opis ruchu drgającego a w szczególności drgań wahadła fizycznego

Opis ruchu obrotowego

CZUJNIKI I UKŁADY POMIAROWE

Defi f nicja n aprę r żeń

Modelowanie, sterowanie i symulacja manipulatora o odkształcalnych ramionach. Krzysztof Żurek Gdańsk,

EGZEMPLARZ ARCHIWALNY WZORU UŻYTKOWEGO. d2)opis OCHRONNY. Henryk Nowrot, Ruda Śląska, PL

Natężenie prądu elektrycznego

2. Pomiar drgań maszyny

Bryła sztywna. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XIX: Prawa ruchu Moment bezwładności Energia ruchu obrotowego

Podstawy fizyki wykład 4

Aplikacje Systemów. Nawigacja inercyjna. Gdańsk, 2016

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

Katedra Elektroniki ZSTi. Lekcja 12. Rodzaje mierników elektrycznych. Pomiary napięći prądów

Analiza drgań belki utwierdzonej na podstawie pomiarów z zastosowaniem tensometrii elektrooporowej. KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE EKSPERYMENTU

Ćwiczenie M-2 Pomiar przyśpieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego Cel ćwiczenia: II. Przyrządy: III. Literatura: IV. Wstęp. l Rys.

Dielektryki polaryzację dielektryka Dipole trwałe Dipole indukowane Polaryzacja kryształów jonowych

LABORATORIUM PODSTAW METROLOGII M-T Ćwiczenie nr 5 BADANIE CZUJNIKÓW CIŚNIENIA.

PRZETWORNIKI CIŚNIENIA. ( )

Zjawisko Halla Referujący: Tomasz Winiarski

Dielektryki i Magnetyki

PL B BUP 26/ WUP 04/07 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (11) (13) B1

Pomiar prędkości obrotowej

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Podstawy Automatyki laboratorium

BADANIE PROSTEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO POMIAR NAPRĘśEŃ BADANIE ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO METODĄ STATYCZNĄ. POMIAR MAŁYCH DEFORMACJI

Wytrzymałość Materiałów

21 ELEKTROSTATYKA. KONDENSATORY

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

Przetworniki piezokwarcowe

Równa Równ n a i n e i ru r ch u u ch u po tor t ze (równanie drogi) Prędkoś ędkoś w ru r ch u u ch pros pr t os ol t i ol n i io i wym

Podstawowe pojęcia wytrzymałości materiałów. Statyczna próba rozciągania metali. Warunek nośności i użytkowania. Założenia

BADANIE PROSTEGO I ODWROTNEGO ZJAWISKA PIEZOELEKTRYCZNEGO

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Laboratorium Półprzewodniki, Dielektryki i Magnetyki

Czujniki i urządzenia pomiarowe

Wyznaczanie modułu Younga metodą strzałki ugięcia

Symulacja Analiza_stopa_plast

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Badanie rozkładu pola elektrycznego

2. Pręt skręcany o przekroju kołowym

Wybrane elementy elektroniczne. Rezystory NTC. Rezystory NTC

Analiza zderzeń dwóch ciał sprężystych

Laboratorum teledetekcji. Sensory akustyczne. płk dr hab. inż. Mateusz Pasternak

Egzamin z MGIF, I termin, 2006 Imię i nazwisko

Instrukcja do ćwiczenia jednopłaszczyznowe wyważanie wirników

3. KINEMATYKA Kinematyka jest częścią mechaniki, która zajmuje się opisem ruchu ciał bez wnikania w jego przyczyny. Oznacza to, że nie interesuje nas

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Dobór silnika serwonapędu. (silnik krokowy)

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Politechnika Poznańska Instytut Technologii Mechanicznej. Laboratorium MASZYN I URZĄDZEŃ TECHNOLOGICZNYCH. Nr 2

Zasady dynamiki Isaak Newton (1686 r.)

UKŁADY KONDENSATOROWE

Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Tadeusz Lesiak. Dynamika punktu materialnego: Praca i energia; zasada zachowania energii

DRGANIA W BUDOWNICTWIE. POMIARY ORAZ OKREŚLANIE WPŁYWU DRGAŃ NA OBIEKTY I LUDZI - PRZYKŁADY

Właściwości optyczne kryształów

Dynamika układów mechanicznych. dr hab. inż. Krzysztof Patan

Podstawy fizyki wykład 4

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

Ćwiczenie ELE. Jacek Grela, Łukasz Marciniak 3 grudnia Rys.1 Schemat wzmacniacza ładunkowego.

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Laboratorium techniki laserowej. Ćwiczenie 5. Modulator PLZT

Podstawy fizyki sezon 2 2. Elektrostatyka 2

PL B1. AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA IM. STANISŁAWA STASZICA, Kraków, PL BUP 17/09

Wykład FIZYKA II. 4. Indukcja elektromagnetyczna. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Struktura układu pomiarowego drgań mechanicznych

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Nr ćwiczenia : 7

Symulacja Analiza_moc_kosz_to w

Transkrypt:

Technika sensorowa Czujniki wielkości mechanicznych dr inż. Wojciech Maziarz Katedra Elektroniki C-1, p.301, tel. 1 617 30 39 Wojciech.Maziarz@agh.edu.pl 1

Czujniki wielkości mechanicznych Wielkości mechaniczne istotne w technice sensorowej: x(t), = x/x, (t) - położenie, przesunięcie, odkształcenie (liniowe, kątowe) v = dx/dt, F = ma, = d /dt, a = dv/dt prędkość, przyśpieszenie (liniowe, kątowe) = F/A, M = F d - siła, naprężenie, moment siły Dla wartości zmiennych w czasie mierzy się: wartość średnią A 1 t t 0 A( t) dt wartość skuteczną A rms 1 t t 0 A( t) dt dla przebiegów okresowych t = T

W pomiarach wykorzystuje się związki między wielkościami, np. znając przyspieszenie można wyznaczyć kolejno: v(t) a(t)dt x(t) v(t)dt W technologiach mikromechanicznych szczególne znaczenie mają czujniki ciśnienia i przyśpieszenia. Czujniki przyśpieszenia działają w oparciu o siły bezwładności (elementem ruchomym jest masa bezwładna). Rejestrowane są przemieszczenia (odkształcenia). 3

Mechaniczny model czujnika drgań d y dt b m dy dt k m y d x dt Parametry k, b, m oscylatora można tak dobrać, aby była możliwa rejestracja poszczególnych wielkości. 1. m duże b małe k małe y x wibrometr Należy dążyć, aby oddziaływanie zwrotne czujnika na obiekt było jak najmniejsze (małe m).. m małe b duże k małe 3. m małe b małe k duże b m k m y y dx dt d x dt czujnik prędkości akcelerometr Można więc budować czułe akcelerometry o dużym zakresie mierzonych przyspieszeń i w wyniku całkowania otrzymywać pozostałe parametry drgań. 4

Akcelerometr piezoelektryczny z układem do badania parametrów drgań 1. masa bezwładna. płytki piezoelektryka 3. regulacja docisku 4. przedwzmacniacz FET 5. gniazdo przyłączeniowe 5

Efekt piezoelektryczny Przekrój sześciokątny kryształu kwarcu (prostopadle do osi optycznej z). Istnieją 3 osie mechaniczne (prostopadłe do ścianek przekroju) oraz 3 osie elektryczne (przechodzące przez krawędzie). Działając siłą na wyciętą płytkę wzdłuż osi elektrycznej x powodujemy powstawanie ładunku na ściankach, do których to naprężenie jest przyłożone (efekt piezoelektryczny podłużny). Działanie siłą wzdłuż osi mechanicznej y indukuje ładunek na ściankach jak poprzednio (efekt poprzeczny). 6

Efekt piezoelektryczny x 1 oś mechaniczna Si 4+ x x 3 O - x 1 oś elektryczna x 1 Budowa kryształu kwarcu (pokazana jest warstwa pierwsza, w drugiej warstwie są 3 atomy O -, trzecia warstwa pokrywa się z pierwszą itd.) Efekt podłużny Efekt poprzeczny 7

Efekt piezoelektryczny Przyłożenie naprężenia σ powoduje pojawienie się ładunku o gęstości q. dq dt k p d dt k p moduł piezoelektryczny (dla kwarcu. 10-1 C/N, dla ferroelektryka ok.100x większy) Dla zjawiska wzdłużnego (siła F x ) otrzymuje się na ściance ładunek Q = A x q = A x k p σ = k p F x - nie zal. od powierzchni A x Dla zjawiska poprzecznego (działa siła F y ) Q = -k p F y b/a 8

Efekt piezoelektryczny Wytworzony ładunek daje napięcie U = Q/C = Q/(C k + C m ) = k p F x /C, C k, C m poj. kryształu i kabla Dla n równolegle połączonych płytek U = nq/(nc k + C m ) Czułość piezoelektryczna S p = du/df x = nk p /(nc k + C m ) Stała czasowa rozładowania czujnika (ogranicza f min ) τ = (C k + C m )/(G k + G m ) G - konduktancja 9

Czujnik pojemnościowy l Kondensator płaski C = ε 0 ε r A/l C C Czułość: dc/dl = - ε 0 ε r A/l, zmienia się wraz z l dc/c = - dl/l, duża czułość wzgl. dla małych l 0,1 l l Stąd konieczność małych l aż do przebicia 10

Czujnik pojemnościowy wykorzystujący kondensator różnicowy l l l C 1 C ΔC = C C 1 = ε 0 ε r A Δl/(l Δl ) dla Δl << l ΔC = ε 0 ε r A Δl/l, stąd ΔC/C = Δl/l C Uzyskuje się zwiększoną czułość i liniowość. -1-0,6 0,6 1 l l Ponadto różnicowy mod pracy zapewnia zmniejszenie uchybu temperaturowego i spowodowanego zmianą ε. 11

Czujnik pojemnościowy wykorzystujący kondensator różnicowy p r M p x Czujnik pojemnościowy do pomiaru ciśnienia w wersji różnicowej 10-4 < p < 10 3 Tr ΔC min = 10-5 pf (Δd~ nm) ELEKTRODA STAŁA Akcelerometr pojemnościowy C 1 MASA RUCHOMA C C C 1 1 C C d d 0 ELEKTRODA STAŁA 1

Pojemnościowy czujnik przemieszczenia w konfiguracji ilorazowej Cylindryczny czujnik pojemnościowy z ruchomym dielektrykiem: W elektroda wspólna S elektroda stała R elektroda zmienna Przemieszczenie jest wyliczane ze stosunku pojemności C WR /C WS W praktyce elektroda S wymagała starannego ekranowania, aby uniknąć wpływu zmiany wilgotności powietrza na pojemność C WS (zmiana konfiguracji pola elektrycznego). 13

Czujnik przemieszczenia kątowego Kondensator obrotowy C C C0 C C 0 14

Czujnik przemieszczenia kątowego Praktyczna realizacja różnicowego kondensatora obrotowego (Zi-Tech Instruments Corp.) Statory 1 i tworzą z rotorem oddzielne pojemności. Różnica tych pojemności zmienia się liniowo z obrotem rotora. 15

Pojemnościowy czujnik pochylenia na bazie akcelerometru Konstrukcja scalonego akcelerometru Analog Devices: (a) schemat międzypalczastego kondensatora różnicowego, (b) element sensorowy widziany z góry. 16

Pojemnościowy czujnik pochylenia na bazie akcelerometru Określanie kąta pochylenia θ z pomiaru przyspieszenia ziemskiego Czujnik kąta pochylenia w wersji jedno i dwuosiowej (g = 1) W wersji jednoosiowej czułość spada ze wzrostem θ 17

Czujniki wielkości mechanicznych - źródła J.W. Gardner, V.K. Varadan, O.O. Awadelkarim, Microsensors, MEMS and Smart Devices, John Wiley & Sons, LTD, 001 W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors A Comprehensive Survey, VCH Verlagsgesellschaft mbh, 1989 Piezoelectric sensors: http://www.piezocryst.com/piezoelectric_sensors.php Akcelerometry: http://www.iaa.ncku.edu.tw/~aeromems/memsdesign/ch7.pdf How does a piezo accel work: http://www.mastec.co.nz/dataforth/pdfs/how%0does%0a%0piezo%0accel %0work.pdf An Introduction to Microelectromechanical Systems Engineering: http://www.scribd.com/doc/47418045/an-introduction-to-mems-engineering- Nadim-Maluf-and-Kirt-Williams Internet 18