Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 1/30 Fyzikální principy snímačů © Zdeněk Folta - verze
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 2/30 Odporový Indukční Kapacitní Piezoelektrický Elektrodynamický (magnetodynamické) Nejčastější principy snímačů mechanických veličin
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 3/30 Odporové snímače Změna odporu jezdcem
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 4/30
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 5/30 Změna odporu teplotou Kovové termistory Vodič mění svůj měrný odpor s teplotou: R 0 výchozí odpor termistoru R konečný odpor temistoru t změna teploty teplotní součinitel vodiče nelegovaná ocel (nelineární) = cca 5 · K -1 platina ( ºC) = 3,85...3,93 · K -1 nikl( ºC) = 6,17...6,70 · K -1 měď( ºC) = 4,26...4,33 · K -1 Pro t < 100 K je možno zjednodušit:
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 6/30 Kovové termistory
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 7/30 Platinové termistory Kovové termistory
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 8/30 Kovové termistory Výhody: relativně nízká cena poměrně dobrá linearita dobrá mechanická odolnost Nevýhody: velká tepelná setrvačnost malá citlivost
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 9/30 Odporové snímače Změna odporu teplotou Polovodičové termistory Polovodičové senzory teploty podobně jako kovové využívají závislosti odporu na teplotě. jsou vyráběny spékáním oxidů Fe 2 O 3, TiO 2, CuO, MnO, NiO, CoO, BaO a dalších. kde nebo linearizací do Taylorovy řady: hodnota B je udávána výrobcem, nebo se dá zjistit měřením hodnoty odporu pro dvě teploty T a T 0
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 10/30 Polovodičové termistory
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 11/30 Odporové snímače Změna odporu deformací - tenzometry l ll Vodič, nalepený na povrch měřeného předmětu, se deformuje zároveň s předmětem a změnou svého tvaru mění svůj odpor.
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 12/30 Změna odporu deformací - tenzometry Výhody: dobrá linearita široké uplatnění pro měření různých fyzikálních veličin Nevýhody: nutná speciální vyhodnocovací elektronika relativně malý rozsah teplot (vliv lepidla)
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 13/30 Indukční snímače Snímač mění hodnotu své indukčnosti. Indukčnost cívky je dána vztahem: npočet závitů cívky permeabilita prostředí Sprůřez jádra cívky ldélka jádra cívky
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 14/30 Indukční snímače Snímač s otevřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika Výhody: velký rozsah měřených délek. Nevýhody: jen část dráhy je lineární; možnost rušení vnějšími elektromagnetickými poli,
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 15/30 Indukční snímače Snímač s otevřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 16/30 Indukční snímače Snímač s uzavřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 17/30 Indukční snímače Diferenciální snímač a jeho charakteristika Při použití hrníčkových jader odolné proti rušení
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 18/30 Indukční snímače Magnetostrikční snímač principem činnosti je změna magnetických vlastností jádra cívky při jeho deformaci. l/lpoměrná deformace jádra konstanta snímače poměrná změna permeability jádra
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 19/30 Kapacitní snímače permitivita dielektrika Splocha desek lvzdálenost desek Změna kapacity vzdáleností desek
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 20/30 Kapacitní snímače
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 21/30 Kapacitní snímače Změna kapacity plochou desek
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 22/30 Kapacitní snímače
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 23/30 Výhody: dobrá linearita u snímačů se změnou vzdáleností desek; frekvence od 0 do 100 kHz; Nevýhody: změna vzdálenosti asi do 1 mm (změnou vzdálenosti); možnost rušení vnějšími elektromagnetickými poli; u změny plochou desek určitá nelinearita; vysoký vnitřní odpor – vyžaduje nízkou kapacitu přívodních vodičů; citlivý na změnu kapacity přívodních vodičů. Kapacitní snímače
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 24/30 Piezoelektrické snímače Jsou založeny na tzv. piezoelektrickém jevu. Při působení mechanických deformací dochází u některých druhů krystalů ke vzniku elektrického náboje. Tento děj je reciproký, přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Tyto vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a olovnatý, některé makromolekulární látky a jiné. V praxi se nejčastěji využívá vlastností SiO 2 a BaTiO 3. Piezoelektrický element tvoří výbrus získaný z krystalu křemene vyřezáním destičky, jejíž hrany budou rovnoběžné s jednotlivými osami krystalu (X - osa elektrická, Y - osa mechanická, Z - osa optická). Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu. Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 25/30 Piezoelektrické snímače X - osa elektrická, Y - osa mechanická Z - osa optická k p je piezoelektrická konstanta SiO k p = 2,1 · [C/N] BaTiO k p = 120 · [C/N] Seignettova sůl *). k p = 300 · [C/N] *) vínan sodnodraselný Zatížení ve směru elektrické osy X V tomto směru není náboj závislý na ploše.
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 26/30 Piezoelektrické snímače Zatížení ve směru mechanické osy Y Výstupní napětí C 0... kapacita snímače C S... kapacita přívodních vodičů V tomto směru nepůsobí síla na polepy.
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 27/30 Piezoelektrické snímače
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 28/30 Výhody: dobrá linearita; vysoká tuhost snímače; velký rozsah frekvencí měření 0,01 Hz kHz. Nevýhody: citlivost ovlivňuje kapacita přívodních vodičů (cejchování s vodiči); nelze měřit statickou hodnotu (vybíjení náboje). Piezoelektrické snímače
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 29/30 Elektrodynamické a magnetodynamické snímače B... magnetická indukce [T] l... délka cívky v magnetickém poli; d... průměr cívky; n... počet závitů cívky; v... rychlost pohybu cívka/magnet
Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 30/30 Elektrodynamické a magnetodynamické snímače Elektromagnetický princip reproduktoru (mikrofonu) Elektromagnetický princip využitý v měřidle Elektromagnetický princip je reciproký – pohybem vzniká proud / změnou proudu vzniká pohyb