Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 1/30 Fyzikální principy snímačů © Zdeněk Folta - verze 2015-09-19.

Prezentace na téma: "Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 1/30 Fyzikální principy snímačů © Zdeněk Folta - verze 2015-09-19."— Transkript prezentace:

1 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 1/30 Fyzikální principy snímačů © Zdeněk Folta - verze 2015-09-19

2 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 2/30 Odporový Indukční Kapacitní Piezoelektrický Elektrodynamický (magnetodynamické) Nejčastější principy snímačů mechanických veličin

3 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 3/30 Odporové snímače Změna odporu jezdcem

4 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 4/30

5 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 · 10 -3 K -1  platina (-200... +850 ºC)  = 3,85...3,93 · 10 -3 K -1  nikl(-60...+180 ºC)  = 6,17...6,70 · 10 -3 K -1  měď(-200...+200 ºC)  = 4,26...4,33 · 10 -3 K -1 Pro  t < 100 K je možno zjednodušit:

6 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 6/30 Kovové termistory

7 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 7/30 Platinové termistory Kovové termistory

8 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

9 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

10 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 10/30 Polovodičové termistory

11 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 11/30 Odporové snímače Změna odporu deformací - tenzometry l ll Vodič, nalepený na povrch měřeného předmětu, se deformuje zároveň s předmětem a změnou svého tvaru mění svůj odpor.

12 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)

13 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

14 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,

15 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 15/30 Indukční snímače Snímač s otevřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika

16 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 16/30 Indukční snímače Snímač s uzavřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika

17 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 17/30 Indukční snímače Diferenciální snímač a jeho charakteristika Při použití hrníčkových jader odolné proti rušení

18 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

19 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 19/30 Kapacitní snímače  permitivita dielektrika Splocha desek lvzdálenost desek Změna kapacity vzdáleností desek

20 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 20/30 Kapacitní snímače

21 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 21/30 Kapacitní snímače Změna kapacity plochou desek

22 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 22/30 Kapacitní snímače

23 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

24 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

25 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 2.................... k p = 2,1 · 10 -12 [C/N] BaTiO 3............... k p = 120 · 10 -12 [C/N] Seignettova sůl *). k p = 300 · 10 -12 [C/N] *) vínan sodnodraselný Zatížení ve směru elektrické osy X V tomto směru není náboj závislý na ploše.

26 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.

27 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 27/30 Piezoelektrické snímače

28 Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 28/30 Výhody:  dobrá linearita;  vysoká tuhost snímače;  velký rozsah frekvencí měření 0,01 Hz... 100 kHz. Nevýhody:  citlivost ovlivňuje kapacita přívodních vodičů (cejchování s vodiči);  nelze měřit statickou hodnotu (vybíjení náboje). Piezoelektrické snímače

29 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

30 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