senzory pro mĚŘenÍ deformace
DESCRIPTION
SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE. Metody pro m ěření deformace Mechanické Elektrické piezoelektrické a piezoresistivní senzory senzory s povrchovou akustickou vlnou induktivní, magnetické a kapacitní senzory Optické senzory s vláknovými vlnovody fotoelastické senzory - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
2/33
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.
3/33
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
4/33
Elektrické senzory deformace
Piezo-elektrické senzoryJsou 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)
5/33
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.
6/33
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
7/33
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
8/33
Elektrické senzory deformace
Senzory s povrchovou akustickou vlnouZapojením senzoru SAW do zpětné vazby zesilovače se ziskem A a fázovým posuvem vznikne při splnění podmínky oscilací generátor harmonického napětí s kmitočtem
22
21n
l
vn
tf SAWosc
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.
9/33
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
El
dl
σ … mechanické napětí
ε … poměrné prodloužení
E … modul pružnosti
10/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzoryZákladní 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)
εRdR
K
11/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzoryJe-li R odpor vodiče, V objem, l jeho délka, D průměr, r
měrný odpor, platí pro celkový odpor vztah
V
lρR
2
Po úpravě a dosazení
)21(21 CK
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
ldlDdD
12/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory
ρε
dρ
εR
dRK
)21(
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
13/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory
pružně odporový součinitel - m
Ed
m
EmK )21()21(
σπεμ)(εmεμ)(R
dR 2121
Kde jsou piezoresistivní koeficienty
Pak platí
14/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - rozdělení
Tenzometry
kovovépolovodičov
é
fóliové
vrstvové
drátkové
monokrystalické
polykrystalické
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
Materiál SloženíKoeficient deformace
K
Konstantan 57 Cu, 43 Ni 2,05
Karma 73 Ni, 20 Cr, resp Fe+Al 2,1
Nichrome V 80 Ni, 20 Cr 2,2
Platina – wolfram 92 Pt, 8W 4
Cermet CrSi, CrSi2 2
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…)
17/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - struktury
Layout a) samostatného, b) biaxiálního, c) tříprvkového tenzometru
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
19/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - Monokrystalické
polovodičové tenzometry
Polovodičové tenzometry s různým umístěním kontaktů
Difúzní technologií (nebo implantací) vyrobený polovodičový tenzometr
20/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - Tenzometr s dlouhým
vláknem
21/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory – Tenzometry pro vyšší teploty
Tenzometr v technologii SOI
Tenzometr vyrobený na bázi karbidu křemíku
22/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory – způsoby montáže
23/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory – vyhodnocovaní informace
Nejčastěji Wheatstoneův můstek
24/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace
Třívodičové zapojení
25/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Teplotní kompenzace
26/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Polomůstkové zapojení
27/33
Elektrické senzory deformace
Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Celomůstkové zapojení
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
29/33
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
Ng2
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.
31/33
Optické senzory deformace
Mřížkové technikyTyto 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
32/33
Optické senzory deformace
Metoda MoiréPro 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 senzoryu 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