Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

1/33 SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE Metody pro měření deformace  Mechanické  Elektrické  piezoelektrické a piezoresistivní senzory  senzory s povrchovou.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "1/33 SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE Metody pro měření deformace  Mechanické  Elektrické  piezoelektrické a piezoresistivní senzory  senzory s povrchovou."— Transkript prezentace:

1 1/33 SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE Metody pro měření deformace  Mechanické  Elektrické  piezoelektrické a piezoresistivní senzory  senzory s povrchovou akustickou vlnou  induktivní, magnetické a kapacitní senzory  Optické  senzory s vláknovými vlnovody  fotoelastické senzory  mřížkové a moiré metody

2 2/33 Mechanické senzory deformace Až do roku 1930 se pro měření deformace používaly přístroje založené pouze na mechanické bázi a zesílení se dosahovalo pomocí takových prvků jako páka, závit, klín, různé převody a jejich kombinací. Proto tyto tenzometry nebyly vhodné pro měření strmých gradientů deformace a dynamická měření. Přesnost měření také ovlivňovaly faktory jako tření, ztrátový zdvih, hmotnost a setrvačnost použitých prvků.

3 3/33 Elektrické senzory deformace Indukčnostní, magnetické a kapacitní senzory Senzory založené na těchto principech jsou většinou velmi rozměrné, těžké a využívají se jen ve velmi specializovaných aplikacích zejména ve strojírenství. Kapacitní senzor deformace Magnetoanizotropní senzor deformace

4 4/33 Elektrické senzory deformace Piezo-elektrické senzory Jsou většinou používané pro sledování dynamických vstupů. Tenzometry se přitmelí ke vzorku a výstupní napětí se objeví při namáhání vzorku Piezoelektrický efekt je založen na elastické deformaci a orientaci elektrických dipólů v krystalové struktuře. Základem je nesymetrická struktura krystalu, ve které se neshodují centra elektrického náboje a tak vytvářejí dipóly. Přiložením vnější mechanické síly se deformují dipóly a na povrchu krystalu tak vzniká náboj (přímý piezoelektrický efekt). Naproti tomu, přiložení elektrického pole způsobí deformaci dipólů, a vyniká konstantní intenzita mechanického napětí (inverzní piezoelektrický efekt)

5 5/33 Elektrické senzory deformace Piezo-elektrické senzory (vlastnosti) Hystereze Vliv teploty Elektrostrikce Stárnutí Používané materiály – křemen – polymery na bázi polyvinylfuoridu (PVFD) – slinutá PZT keramika (olovo - zirkon - titan) – PLZT keramika (přidíví se lanthan) dává 2-8x větší napětí než PZT keramika.

6 6/33 Elektrické senzory deformace Piezo-elektrické senzory (vlastnosti) chovají se elektricky jako kapacitory, mechanicky jako tuhá pružina systém má dvě přirozené rezonanční frekvence, jedna je daná frekvencí vlastních oscilací pružiny a druhá je daná elektrickou kapacitou převodníku (typ. více než 200MHz). Příklady aplikací piezoelektrických senzorů měřiče deformace, síly, výchylky nebo akcelerometry, jejichž setrvačná hmota působí na piezoelektrický element nevýhoda: nemohou být využity k měření statických sil Piezoelektrický ohybový senzor

7 7/33 Elektrické senzory deformace Senzory s povrchovou akustickou vlnou Základním principem je závislost mechanické rezonanční frekvence pružného prvku na deformaci vyvolané vnějším působením Senzory s povrchovými akustickými vlnami – využívají změn parametrů vlnění šířícího se z hřebenové struktury vysílače do místa přijímače SAW senzor deformace

8 8/33 Elektrické senzory deformace Senzory s povrchovou akustickou vlnou Zapojením senzoru SAW do zpětné vazby zesilovače se ziskem A a fázovým posuvem vznikne při splnění podmínky oscilací generátor harmonického napětí s kmitočtem Piezo-elektrické materiály pro substráty SAW senzorů - nejpoužívanější je křemen SiO2 - GaAs, ZnO filmy, PZT keramika - GaPo4 (Gallium Phosphate), vede SAW vlny i při teplotách převyšující 600°C Systémy senzorů SAW se často používají v automobilovém průmyslu, například pro monitorování tlaku v pneumatikách. Senzor je umístěn přímo v pneumatice a je spojen rádiově s řídící jednotkou.

9 9/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory – odporové snímače Změny elektrického odporu jsou dány geometrickými deformacemi nebo změnami v krystalografické orientaci Deformace je nejčastěji způsobena tlakem nebo tahem v mezích Hookova zákona σ … mechanické napětí ε … poměrné prodloužení E … modul pružnosti

10 10/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory Základní funkcí polovodičového tenzometru je stejně jako u kovových tenzometrů, transformace změny jejich rozměrů v určitelném směru na změnu odporu. U odporových tenzometrů je známa důležitá veličina tzv. deformační citlivost K (GF – gauge factor)

11 11/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory Je-li R odpor vodiče, V objem, l jeho délka, D průměr, r měrný odpor, platí pro celkový odpor vztah Po úpravě a dosazení Kde C je konstanta závislá na krystalické stavbě odporového materiálu, která se u čistých kovů a slitin pohybuje v mezích –12 (Nikl) až +6 (Platina) μ je Poissonova konstanta

12 12/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory pak tento vztah popisuje čistě geometrický důsledek deformace a nazývá se Tenzometrický jev m- pružně odporový součinitel, popisuje fyzikální důsledek a nazývá se Piezorezistivním jev

13 13/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory pružně odporový součinitel - m Kde   jsou piezoresistivní koeficienty Pak platí

14 14/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - rozdělení Tenzometry kovové fóliovévrstvovédrátkové polovodičové monokrystalicképolykrystalické

15 15/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - Kovové tenzometry foliové Vyrábějí se z kovových slitin s koeficientem K blízkém 2 a vybírají se dále s ohledem na minimální teplotní součinitel odporu MateriálSloženíKoeficient deformace K Konstantan57 Cu, 43 Ni2,05 Karma73 Ni, 20 Cr, resp Fe+Al2,1 Nichrome V80 Ni, 20 Cr2,2 Platina – wolfram92 Pt, 8W4 CermetCrSi, CrSi 2 2

16 16/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - Kovové tenzometry naprašované Naprašováním ve vakuu se vytvoří nejdříve dielektrická vrstva na nosné destičce (např. křemík) a pak aktivní vrstva. Používají se stejné materiály jako u foliových tenzometrů (Cermet, Nichrom…)

17 17/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - struktury Layout a) samostatného, b) biaxiálního, c) tříprvkového tenzometru

18 18/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - Monokrystalické polovodičové tenzometry Koeficient deformační citlivosti závisí na typu vodivosti. Kladné hodnoty má pro P typ polovodiče, záporné pro N typ vodivosti

19 19/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - Monokrystalické polovodičové tenzometry Polovodičové tenzometry s různým umístěním kontaktů Difúzní technologií (nebo implantací) vyrobený polovodičový tenzometr

20 20/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - Tenzometr s dlouhým vláknem

21 21/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory – Tenzometry pro vyšší teploty Tenzometr v technologii SOI Tenzometr vyrobený na bázi karbidu křemíku

22 22/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory – způsoby montáže

23 23/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory – vyhodnocovaní informace Nejčastěji Wheatstoneův můstek

24 24/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Třívodičové zapojení

25 25/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Teplotní kompenzace

26 26/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Polomůstkové zapojení

27 27/33 Elektrické senzory deformace Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Celomůstkové zapojení

28 28/33 Optické senzory deformace Optické vláknové senzory deformace Mechanická deformace optického vlákna má za následek změnu podmínek šíření světelného svazku, protože se mění geometrie jádro-plášť a také index lomu vlivem účinku mechanického namáhání. Také záleží na tom, zda deformace působí kolmo nebo podél osy vlákna. Optické vláknové senzory deformace a) podélný, b) příčný

29 29/33 Senzor využívá Braggovu mřížku s periodou g která odráží selektivně na vlnové délce kde N je efektivní index lomu Optické senzory deformace Optické vláknové senzory deformace – cont. Citlivost lze podstatně zvýšit použitím jednovidových vláken a interferometrického uspořádání měřícího obvodu

30 30/33 Optické senzory deformace Optické vláknové senzory deformace – cont. Změny útlumu vlákna při mikroohybech se využívají zejména pro výrobu senzorů tlaku nebo síly. Optické vláknové senzory jsou vhodné pro aplikaci při vyšších teplotách (až 400 °C) a také v situacích kdy senzor nesmí obsahovat kovové části.

31 31/33 Optické senzory deformace Mřížkové techniky Tyto senzory mají na sobě umístěny referenční značky, jejichž vzdálenost se měří v klidu a potom při namáhání. Deformace se pak vypočítá z poměru změny délky a původní délky mezi značkami. Referenční značky jsou uspořádány do souvislého mřížkového vzoru (obdélníkový, polární). Mezi jednotlivými body pak můžeme sledovat gradient mechanického namáhání Mřížka se vyrábí: nakreslením nebo rytím fotografickým tištěním přitmelením předpřipravené mřížky na povrch měřeného objektu leptáním

32 32/33 Optické senzory deformace Metoda Moiré Pro měření deformace je potřeba dvou vzorků s mřížkami, jeden testovací a druhý referenční. Rozptylový „Moire“ efekt je útvar střídajících se tmavých a světlých pruhů, který vznikne při porovnání deformované a referenční mřížky, když se položí na sebe a jedna se buď otáčí nebo posouvá Fotoelastické senzory u některých materiálů vzniká dvojlom světelného svazku při působení mechanického namáhání. Rychlost světla se pak mění v závislosti na směru šíření. Aplikace tohoto jevu spočívá v prosvětlování transparentního modelu polarizovaným světlem Používané materiály: různé typy skel, celuloid, želatina, guma, celulózové nitráty, vinyly, fenolové formaldehydy, polyester, epoxid, uretan


Stáhnout ppt "1/33 SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE Metody pro měření deformace  Mechanické  Elektrické  piezoelektrické a piezoresistivní senzory  senzory s povrchovou."

Podobné prezentace


Reklamy Google