SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA SENZORI
TEMA
SENZORI MOMENTA I SILE
SADRŽAJ:
UVOD...................................................................................................................3 1.1. KVARCNI SENZORI........................................................................................3 1.1.1. Osnove tehnologije.................................................................................4 1.1.2. Tipovi senzora........................................................................................5 1.1.2.1. Režim punjenja, Visoka impedansa, piezoelektrični sensor sile.......5 1.1.2.2. Naponski režim, niska impedansa, Piezoelektrični sensor...............6 1.1.3. Piezoelektrični Senzor sile u građevinarstvu..........................................7 1.1.3.1. Izbor i specifikacije...........................................................................8 2.1. SENZORI NAPREZANJA................................................................................11 2.1.1. Osnovne tehnologije.............................................................................11 2.1.2. Tipovi senzora......................................................................................12 2.1.2.1. Savitljivi snop.................................................................................12 2.1.2.2. Stub................................................................................................13 2.1.2.3. Shear-web......................................................................................13 2.1.2.4. Multi komponente..........................................................................14 2.1.1. Mjerenje obrtnog momenta pomoću mjernih traka..............................14 2.1.2. Mjerenje obrtnog momenta pomoću induktivnog senzora...................15 ZAKLJUČAK........................................................................................................16
2
UVOD
Senzor sile služi za pretvorbu sile (opterećenja) u napon, tj. pretvorbu neelektrične veličine u lako mjerljivu električnu veličinu. Senzor se može primijeniti u digitalnim i mosnim vagama, u automatizaciji procesa kao zaštitna sklopka. Za mjerenje naprezanja i opterećenja materijala. Može se koristiti kao didaktičko pomagalo u edukacijske svrhe. Senzori mogu precizno i pouzdano mjeriti male promjene sile. Električnu veličinu možemo preko A/D pretvornika ili kartice dovesti u računalo i obraditi dobiveni signal (alarm). Senzor mjeri silu na konzoli pomoću otpornih traka koje pri opterećenju mijenjaju otpor. Promjena otpora dovodi se u mjerni most, zatim u pojačalo jer je promjena otpora mala. Na izlazu iz pojačala dobiva se promjena napona proporcionalna promjeni sile na konzoli.
Moment obrtanja djeluje na vratila, spojnice, doboše, zupčanike itd. Može da bude stacionaran tj. Da se ne mijanja sa vremenom, dM/dt = 0 i nestacionaran da se mijenja sa promjenom vremena M(t)≠0. Mjerenjem dinamičkog obrtnog momenta dobija se informacija o tome kakvo je opterećenje ispitivanog rotirajućeg dijela, da li je ravnomjerno, periodičo, impulsno ili kombinovano. Taj podatak je važan u slučaju dijagnosticiranja tj. određivanja tehničkog stanja sistema. Na osnovu rezultata mjerenja može se vršiti uklanjanje nastalih poremećaja. Drugi važan razlog mjerenja obrtnog momenta je provjera postojećeg konstruktivnog rješenja rotirajućeg sistema. Često je potrebno prije isporuke takvih proizvoda: pumpi, motora ili bilo kojih konstrukcija koje sadrže rotirajuće dijelove, izvršiti mjerenje obrtnog momenta.Posebna pažnja posvećuje se mjerenju obrtnog momenta na vratilima. Moment M pomnožen sa ugaonom brzinom ω predstavlja mehaničku snagu koju vratilo prenosi.
1.1. KVARCNI SENZORI
3
1.1.1. Osnove tehnologije Kvarcni senzori sile su dizajnirani i prilagođeni za mjerenje dinamičkih oscilatornih sila, udaraca ili kompresiono/tenzionih sila velike brzine. Osnovni dizajn koristi piezoelektrični princip, gdje su mehanička naprezanja konvertovana u elektrostatičko naelektrisanje koji se akumulira na površini kristala, kao što je prikazano na slici 1.
Slika 1. Piezoelektrični efekat
Kristal kvarca senzora piezoelektrične sile generiše elektrostatičko naelektrisanje samo kada sila djeluje ili se uklanja sa senzora. Drugim riječima, ako primjenite statičku silu na senzor piezoelektrične sile, izlazno elektrostatičko naelektrisanje generisano u početku, će eventualno iscuriti i izlaz senzora će konačno biti vraćen na nulu. Stopa na kojoj naelektrisanje iscuri na nulu je eksponenncijalana i bazirana na vremenskoj konstanti pražnjenja senzora (DTC-Discharge time constant). DTC je definisan kao vrijeme potrebno senzoru ili mjernom sistemu da smanji svoj signal do 37% originalne vrijednosti. Ova vrijednost je poznata i određena je množenjem najmanjeg otpora izolacije sa ukupnom kapacitivnosti sistema prije pojačavačkog kola. (Ovo važi za sve piezoelektrične senzore, bilo da je operacija sila, pritisak ili vibracija.) DTC sistema je direktno povezano sa mogućnošću praćenja niskih frekvencija sistema, zbog zbog toga što se piezoelektrični sensor sile može koristiti samo za “kvazi-statička” mjerenja. Da bi se bolje objasnile karakteristike DTC-a, pretpostavimo da je težina postavljena na vrh piezoelektričnog senzora sile. U početku, piezoelektrični osjetljivi kristali će generisati naelektrisanje (Q). Međutim, posle ovih početnih ulaznih koraka, signal naelektrisanja opada prema formuli:
4
gdje je: q = trenutno naelektrisanje (Kulon) Q = početna količina naelektrisanja (Kulon) R = otpor prije pojačala (Om) C = ukupan kapacitet prije pojačala (Farad) e = baza prirodnog logaritma (2.718) t = vrijeme proteklo nakon vremena nula (sekunda)
Ova jednakost je grafički prikazana na slici 2. Proizvod R i C predstavlja DTC (u sekundama) senzora. Može se zaključiti da što je duži DTC, mnogo preciznije će senzor biti u stanju da prati duže trajanje događaja. Generalno, pizoelektrični senzori sile mogu imati vremensku konstantu koja varira od samo nekoliko sekundi do više od 2000 sekundi. Specijalna vremenska konstanta se može dobiti promjenom vrijednosti otpornika R, u senzorskom kolu.
Slika 2. Opadanje usljed pražnjenja vremenske konstante
1.1.2. Tipovi senzora
1.1.2.1. Režim punjenja, Visoka impedansa, piezoelektrični sensor sile
5
Režim punjenja piezoelektričnog senzora: Kad su pod stresom, generiše se elektrostatičko naelektrisanje na kristalu. Za preciznu analizu ova visoko impedansna naelektrisanja moraju biti usmjerena kroz nisko šumni kabal na pojačalo koji konvertuje impedansu. Primarna funkcija spoljašnjeg pojačala je da konvertuje naelektrisanje visoke impedanse na napon niske impedanse koji može da se koristi za analize ili snimanje karakteristika. Slika 3. pokazuje tipični režim punjenja senzorskog sistema: senzor, kabl niskog nivoa buke i nabojni pojačavač.
Slika 3. Senzorski sistem sa režimom punjenja
U režimu punjenja, senzor ne sadrži pojačala. Zbog toga, domet senzora i DTC-a su određeni podešavanjima na spoljašnjim nabojnim pojačalima. Povratni otpornik radi zajedno sa kondenzatorom na operacionom pojačavaču i određuje ove karakteristike. Generalne odlike laboratorijskog tipa nabojnih pojačavača su različite opcije kako za kratke, srednje i dugotrajne vremenske konstante. (Pretpostavlja se da je električni otpor izolacije senzora sile i kabla povezanog za nabojno pojačalo veće nego kod povratnih otpornika u nabojnom pojačalu; u suprotnom, degradacije kao što su drift se mogu pojaviti. Zbog toga, da bi se ovo osiguralo, kontaktne tačke senzora sile i kabla se moraju održavati čistim i suvim.)
1.1.2.2. Naponski režim, niska impedansa, Piezoelektrični sensor
Naponski režim ili nisko impedansni senzor sile djele isti osnovni dizajn korišten u režimu punjenja senzora sile, ali sadrži built-in mikroelektronsko pojačalo. Ovaj pojačavač služi za konvertovanje izlaznog naelektrisanja visoke impedance iz kvarcnog kristala u nisko impedansi naponski signal za analizu i snimanje karakteristika. Ova vrsta senzora, napajan posebnim konstantnim strujnim izvorom, povezan je običnim koaksijalnim ili trakom kablova bez degradacije signala. Dodatno, na nisko impedansni naponski signal ne djeluje tribo-electric niskošumni kabla (šum prouzrokovan vibracijom ili kretanjem kabla) ili šumovi okoline. Slika 4. pokazuje kompletan naponski režim 6
senzora. Domet senzora i DTC su fiksni zbog komponenata u spoljašnjem pojačavaču. (Uzima se kao pretpostavka da je DTC signalnog generatora veći nego onaj kod senzora sile.)
Slika 4. Senzorski sistem u naponskom režimu
1.1.3. Piezoelektrični Senzor sile u građevinarstvu Osnovne mehaničke konstrukcije opšte namjene kvarcnog senzora sile sadrži tanki kvarcne diskove koji su u “sendviču” između gornje i donje bazne ploče. Relativno elastičan, berilijum-bakarski žljeb drži donje i gornje ploče zajedno. Potrebno je da se osigura da su gornje i donje ploče u bliskom kontaktu sa kvarcom kristala, osiguravajući dobru linearnost i sposobnost za napetosti, kao i kompresiona mjerenja. Konfiguracija ovog “osjetljivog elementa” spakovana u kruto kućište od nehrđajućeg čelika i zavaren da obezbjedi hermetičko pečaćenje unutrašnjih komponenata u cilju zaštite protiv zagađenja. Slika 5. prikazuje tipičnu konstrukciju kvarcnog senzora snage opšte namjene. 7
Slika 5. Senzor snage opšte namjene
1.1.3.1. Izbor i specifikacije
Aplikaciono razmatranje tipično uključuje dimenzije, frekvencije i smjer sile ili snage koja se mjeri. Dodatna razmatranja mogu uključiti ograničenja, uslove sredine i mehaničkih integracionih zahtjeva. Dato je mnoštvo aplikacija i aplikacionih zahtjeva, mnogi proizvođači nude različite modele koji odgovaraju tipičnim aplikacijama. One uključuju:
Opštu namjenu – Služi za mjerenje kompresije i/ili sile napetosti. Tipične aplikacije uključuju testiranje na udarce, probijanje i formiranje, pad, testiranje materijala, testiranje umora, prelom materijala, modalne analize ulazne sile i biomehanike. 8
Slika 6. Senzor sile opšte namjene
Penetracija - Penetracione vrste senzora su specijalno dizajnirane za kompresiona mjerenja i mjerenja sile udara u materijalno testnim aplikacijama. Glatka cilindrična kućišta i kružne udarne kape sprječavaju presjecanje uzoraka dozvoljavajući popuštanje, deformaciju i mjerenje tačke pucanja polimera, kompozita i drugih materijala.
Slika 7. Penetracioni senzor sile
Minijaturizaciju – Konfiguracija minijaturnog sensora dozvoljava niske amplitude, dinamičku kompresiju, naprezanja i mjerenje uticaja sile. Dvije konfiguracije, jedna sa odvodnim otvorom i kapom osjetljivom na udar i drugi sa odvodnim otvorima sa obe strane senzora. Moguće su obične veze, integrisane veze i slobodne instalacije. Primjenjuje se u proučavanjima matričnog štampanja, povezivanja žica i impulsnog testiranja visokih i niskih frekvencija.
Slika 8. Minijaturni senzor sile
Udar – Senzori tipa udara su specijalno dizajnirani za mjerenje sile udara. Senzor je tipično montiran na slobodan način sa poklopcem osjetljivim na udar usmjerenim prema dolazećem objektu
9
sa kojim će se sudariti. Primjena uključuje testiranje sudara, presovanje žice i formiranje metala, testiranje udara, testiranje pada i laboratorijske mašine za testiranje šoka.
Slika 9. Senzor sile tipa udara
Prstenovi – Konfiguracija prsten senzora mjeri dinamičku kompresiju. Moguća su i mjerenja napetosti. Opseg napetosti zavisi do količine primjenjenog pre-load-a i snage montirajućeg šarafa. Primjena uključuje urezivanje, operacije probijanja i formiranja, balansiranja, mašinske studije i testiranje sile pod kontrolom vibracije.
Slika 10. Prstenasti senzor sile
Linkovi – Link senzori mjere dinamičku kompresiju i napetost. Konstruisani su korištenjem prstenastog senzora sile. Montažni navoj je montiran na oba kraja senzora. Primjena uključuje presovanje pločica, testiranje istezanja, pečaćenje, operacije probijanja i formiranja, balansiranje, mašinske studije i testiranje sile pod kontrolom vibracije.
Slika 11. Link senzor sile
Multi-komponentni – Multi-komponenetni senzori dozvoljavaju istovremeno mjerenje komponenata vektora dinamičke sile u tri ortogonalna pravca. Dodatno, neki senzori su dizajnirani za mjerenje 10
momenta takođe. Primjena uključuje mašinski alat za sječenj, pečaćenje, operacije probijanja i formiranja, mašinske studije i testiranje sile pod kontrolom vibracije.
Slika 12. Multikomponentni senzor sile
2.1. SENZORI NAPREZANJA
2.1.1. Osnovne tehnologije Senzori naprezanja na bazi folije su idealno dizajnirani za precizna mjerenja statičke težine ili kvazidinamičko opterećenje i snage. Dizajn senzora naprezanja se sastoji od specijalno dizajniranih struktura koje se izvršavaju na predvidiv i ponavljajući način kad se primjenjuje sila, opterećenje ili težina. Ulaz je pretvoren u napon promjenom otpornosti u senzoru naprezanja. Vrijednost promjenjene otpornosti ukazuje na magnitudu deformacije u transduktoru i opterećenost koja je primjenjena. Senzori naprezanja su povezani u konfiguraciju Vitstonovog mosta, koji se ponaša kao sumirajuća i oduzimajuća električna mreža i dozvoljava kompenzaciju temperaturnih efekata kao i ukidanje signala uzrokovanih stranim silama. Regulacija od 5-20 V jednosmjerne ili naizmjenične pobude je obavezna i primjenjuje se između A i D mosta. Kada se djeluje silom na transkondukter, Vitstonov most nije u ravnoteži, što uzrokuje da izlazni napon između B i C bude proporcionalan opterećenju.
11
Slika 13. Vitstonov most
2.1.2. Tipovi senzora Najkritičnija mehanička komponenta u bilo kojem senzoru tipa naprezanja je “opruga”. U opštem smislu , opruga služi kao reakcioni mehanizam na promjenu sile, opterećenja ili težine. Tri zajednička strukturalna dizajna korištena u industriji su savitljiv snop, stub i shear.
Slika 14. Definicija ose ulazne ćelije
2.1.2.1. Savitljivi snop
Senzorske opruge koje upotrebljavaju savitljivi snop su najčešće. To je zbog toga što savitljivi snop može izdržati visoka naprezanja. Savitljivi snop je tipično dizajniran za korištenje u nisko kapacitivnim opterećenim ćelijama.
12
Slika 15. Struktura savitljivog snopa
2.1.2.2. Stub Ovo je najraniji tip transduktora naprezanja. Dizajn mu je veoma jednostavan. Stub bi trebao biti dovoljno dug u odnosu na poprečni presjek tako da uniformni put naprezanja bude usmjeren prema naprežućoj traci. U primjeni, krajnji korisnik mora da pazi na efekte drugog reda, kao što su da je stub opterećene ćelije osjetljiv na efekte opterećenja izvan ose.
Slika 16. Struktura stuba
2.1.2.3. Shear-web Shear-web opterećena ćelija obično uzima oblik nosača snopa koji je dizajniran sa poprečnim presjekom većim od uobičajnog u odnosu na procjenjeno opterećenje koje će biti prenijeto u cilju minimizacije izvijanja. Prema ovom uslovu naprezanje površine duž vrha snopa će biti previše malo da proizvede adekvatan električni izlaz sa naprežućom trakom. Međutim, naprežuće trake su postavljeni na strani snopa na neutralnoj osi, gdje su savijanja nula.
Slika 17. Struktura shear-weba
13
2.1.2.4. Multi komponente Ovo su senzori koji mjere različite sile i momente istovremeno sa jednim transduktorom. Multi komponentne primjene uključujumašine za testiranje zamora, testiranje sličnosti guma i testiranje automobilskih zahtjeva. Potrebna je oprezna strukturalna analiza da bi se izolovale sile i momenti. Dostupne su razne konfiguracije i kombinacije za mjerenje sile i momenta.
Slika 18. Multikomponentna opteretna ćelija
2.1.1. Mjerenje obrtnog momenta pomoću mjernih traka Mjerenje obrtnog momenta najčešće se vrši pomoću mjernih traka. Na površini vratila koja su opterećena momentom uvijanja javljaju se najveći tangencijalni naponi
Slika 19. Mjerenje deformacija vratila opterećenog momentom uvijanja
Objašnjenje principa mjerenja deformacija vratila opterećenog na uvijanje prikazano je na slici 19. Mjerna traka dužine AB = S zalijepi se pod uglom α u odnosu na ono vlakno vratila koje je najviše udaljeno od ose. Nakon dejstva momenta uvijanja traka promijeni dužinu tako da se od dužine S poveća na S + △S = AB', pri čemu lijevi dio trake ostaje nepomičan. Dva presjeka na međusobnom rastojanju l uvijaju se za ugao
14
θ = M1*l /
gdje je: M1- moment uvijanja (torzije), G - modul klizanja, I0- polarni moment inercije presjeka.
2.1.2. Mjerenje obrtnog momenta pomoću induktivnog senzora Induktivni pretvarač za mjerenje obrtnog momenta zove se torziometar. Torziometar prikazan na slici 20. sastoji se od jezgra kod kog je jedna strana slobodna, a druga čvrsto vezana za vratilo 5. Na slobodnom kraju jezgra 1 namotani su kalemi 2. Usljed uvijanja elastičnog dijela vratila 3 induktivni pretvarač koji ima četiri kalema povezana u Wheatstone-ov most djeluje kao diferencijalni transformator dovodeći do neravnoteže mosta. Usljed obrtanja javlja se napon direktno proporcionalan obrtnom momentu i registruje se na registracionom instrumentu.
Slika 20. Torziometar: 1) jezgro, 2) kalem, 3) torziono elastični element, 4) nosač jezgra, 5) vratilo
Postoje još razni i mnogobrojni načini mjerenja i obrade veličine obrtnog momenta a neki od njih su: • • •
mehaničkim torziometrom sa stroboskopskim indikatorom mehaničkim dinamometrom (prony kočnica i vodena kočnica) transmisionim dinamometrom i dr. 15
Dok se mjerenje snage vrši na dva načina: • •
transmisionim metodama (proračunavanje snage na osnovu izmjerenog obrtnog momenta) apsorpcionim metodama (mjerenje snage pomoću kočnica, najčešće električnih, tzv.elektrodinamometri)
ZAKLJUČAK
Mjerenje sile može biti postignuto mnoštvom različitih senzora. Dok druge tehnologije postoje, najviše korišćeni senzori su generalno bazirani bilo na piezoelektričnom kristalu kvarca ili mjerenjem deformacija osjetljivih elemenata. Postoje različiti metodi i postupci mjerenja obrtnog momenta i snage. Uređaji i mjerni sistemi koji se koriste za ove namjene rade na sljedećim principima: mehaničkom, električnom, optičkom itd. Mjerenje obrtnog momenta najčešće se vrši pomoću tenzometarskih mjernih traka princip može biti mehanički i električni.
16
