Глава 6 Сензори и актуатори семинарска

ГЛАВА 6

Механичќи Сензори

Сензори за сила А класа на сензори Вклучува доста голем број на различни сензори Тие се врз основа на многу принципи Ќе разговараме за четири видови на општи

сензори: Сензори за сила Ацелерометри Сензори за притисок Жироскопски сензори

Покриваат поголем дел принципите кои се вклучени во механичќите набљудувања – директно и индиректно.

Сензори за сила Некои од овие сензори се користат за

апликации кои првично не чини да се однесуваат на механичќи количини. Пример: мерење на температурата преку

проширување на гасови во волумен (Пневматсќи температуран сензор дискутиран во глава 3).

Некои механичќи сензори не се вклучени во движењето или силата. Пример: фиберооптичќиот жироскоп ќе биде

дискутиран подолу.

Сензори за сила – Мерни ленти Мерна лента – Главна алатка за набљудување

на сила. Мерни ленти , мерење притисок. Мерните ленти може да се поврзани со стрес,

сила , вртежен момент и многу други симуланси вклучувајќи и поместување, забрзување или позиција.

Во центарот на сите мерни ленти има промена во одпорот на материјалите поради промената во нивната должина.

Сензори за сила – Мерни ленти Дефиниција за притисокот: да се разгледа

должината на метална жица L, на спроводливост ϭ, и крос-пресек А.

Одпорот на жица е :

R = LA

Имајќи ги најавите од двете страни.

log R = log 1 + log La = log + log L

A

Сензори за сила – Мерни ленти Земајќи ги разликите од двете страни:

Промената на одпорот се должи на два услови; Поради промена на спроводливост Поради деформација на проводникот.

За мали деформации(линеарни деформации) двата термини на десната страна се линеарни функции на мерните ленти,ε.

Самото врзување на двата ефекти заедно(тоа е промената на проводливост и деформацијата) може да се пишува:

dRR

= d + d(L/A)

L/A

Сензори за сила – Мерни ленти За мали деформации (линеарни деформации)

двата термина на десната страна се линеарни функции на мерни ленти,ε.

Самото врзување на двата ефекти заедно (тоа е промената на спроводливоста и деформацијата) можеме да напишеме:

Ss е чуствителен на мерни ленти. Исто така е познат како фактор за мерење.

dRR

= Ss

Мерни ленти

За секоја дадена мерна лента мерниот фактор е постојан (константен).

Опсегот е помеѓу 2 и 6 за повеќето метални мерни ленти.

Од 40-200 за полупроводните мерни ленти. Односот помеѓу мерните ленти дава

едноставен линеарен однос меѓу промената во одпорноста на сенозорот и притисокот.

Напор и Напон

Напор и Напон Имајќи го во предвид проводникот погоре беше

дискутирано за примената на сила по должината на оската , напон е :

= напон [N/m2] Е = модул на материјалот (модул на еластичност)

[N/m2 ] = dL/L = истегнување

= FA

= EdLL

= E

Напор и Напон

Напорот е нормализиран линеарно на деформацијата на материјалот.

Напонот е мерка за еластичност на материјалот.

Мерни ленти Мерните ленти се јавуваат во многу форми и

видови. Секој материјал ,комбиниран со материјали или

физичќи конфигурации што го менува својот напон поради напорот претставува мерна лента.

Да ја ограничиме нашата дискусија на два типа на мерни ленти кои повеќе се користат денес: Жичениа (или метални) мерни ленти. Полупроводничќи мерни ленти.

Метални мерни ленти Во својот наједноставен облик: Должината на жицата која се состои од две

мислења. Кога силата ќе дејствува на нив, ќе ја

деформира жицата и ќе предизвика промена на одпорноста на самата жица.

Овој метод се користел во минатото и се уште е важечќи.

Таа не е многу практична (изградбата, поврзаноста кон системот, промената на одпорот е многу мал).

Некогаш многу должини на жици биле користени.

Жичени мерни ленти

Најчеста форма на метални мерни ленти

Повеќето практични мерни ленти се осетливи. Изградени се од тенок слој на спроводлив

материјал. Нанесување на изолациската подлога

(пластика, керамика итн). Гравирани во форма на долго, менажирање на

жицата (слика). Constantan (60% бакар, 40% никел) е

најчест материјал. Занемарлив температурен коефициент на

отпорот (TCR ). Други материјали кои најчесто се користат

(табела).

Осетливи мерни ленти

Материјали за осетливи мерни ленти

Најчетс облик на метални мерни ленти

Мерните ленти исто така може да се користат за мерење на повеќе видови на осќи, со едноставно користење на повеќе од еден мерач или со создавање на еден со стандардни конфигурации.

Некои од нив се прикажани во продолжение.

Двекоординатна мерни лента

120 степенска розета

45 степенска розета

45 степенска наместена розета

Мембрана на розетата

Полупроводничќи мерни ленти

Функционираат како мерни ленти за отпор. Конструкцијата и своиствата им се различни. Мерачот за полупроводниците е многу повисок

одколку за металите. Промената во спроводливост, поради напорот е

многу поголема отколку кај металите. Обично се помали од металните видови. Многу почесто се осетливи на температурните

варијации (бараат температурна компензација).

Полупроводничќи мерни ленти

Сите полупроводнички материјали покажуваат промени во отпорот поради напор.

Најчестиот материјал е силиконот поради неговите инертни својства, и леснотијата за производство.

На почетокот материјалот е намален, но со ширење на матерјиалите (обично бор или арсенид за P или N тип) добицаат почетен одпор како што е потребно.

Подлогата обезбедува средства за истегнување на силиконскиот чип , и конекциите се обезбедени од таложење на метал на краевите на уредот.

Полупроводничќи мерни ленти

Конструкција на полупроводничќи мерни ленти:

Полупроводничќи мерни ленти

Други видови на полупроводничќи мерни ленти:

Полупроводничќи мерни ленти

Една од важните разлиќи помеѓу проводничќите и полупроводничќите мерни ленти е дека полупроводничќите мерни ленти во суштина се нелинеарни уреди со типично квадратна трансфер функција.

Исто така: PTC или NTC операција.

dRR

= S1 + S12

PTC или NTC операција

Мерни ленти - апликации

Мерните ленти мора да се направени да реагираат на сила. Мерните ленти се прикачени на местата на кој се чувствува напор ,

обично со сврзуванње. Тие неможат да бидат повторно употребени. За секој различни места постојат различни апликации или видови на

материјали. Обично е порачуваат од производителите на мерни ленти или од

некои специјализирани места.

Мерните ленти често се користат на местата каде што има поголем напор, свиоците (свртување) и напонсќи затегнувања /деформирања (аксијален напор) на конструкции (шахти, мостови за чекање, мостови за камиони и многу други)

Своиства на мерните ленти

Своиствата на мерните ленти варираат во зависност од апликацијата.

Повеќето мерни ленти имаат нормален одпор помеѓу 100 и 1000 Ω (и понисќите и повисоќите одпори се достапни).

Мерниот фактор е помеѓи 2-5. Димензиите им се помали од 3x3mm со должина

над 150 mm (речиси секоја големина може да се направи ако е потребно).

Розета(неколку осќи на мерната лента) се достапни со 45,90 и 120 осќи, како и дијафрагмата и другѓи специјализирани конфигурации.

Своиства на мерните ленти

Типичната чувствителност е 5 m Ω/Ω. Деформацијата е од редот 2-3µm/m. Многу повисоќи притисоци можат да се мерат со

специјализирани мерачи. Полипроводничка мерна лента. Обично се мали но отпорни мерните ленти. Може да се направат со повисок одпор. Нивната употреба е ограничена на нисќи

тепмератури. Мерните ленти може да бидат многу поефтини

од металот. Често се дел од друг уред.

Грешки во мерните ленти

Мерните ленти подлежат на различни видови на грешки.

Поради температурниот-отпор, особено во полупроводниците, е под влијание на температурата исто како под напон.

Во мерните ленти има обично мал материјал со низок температурен коефициент на отпор.

Во полупроводниците, температурната компензација понекогаш е прикажана на борд компјутерот или на посебен сензор кој може да се користи за оваа намена.

Грешки во мерните ленти

Една третина од грешќите се должат на напорот, кој со текот на времето има тенденција крајно да ги деформира мерачите.Можат да се отстранат со периодично

повторена калибрација.Може да се намалат со тоа што

максималната дозволена деформација е мала и е испод препораката за уредот.

Грешки во мерните ленти

Дополнителни грешќи. Поради поврзувањето на процесот. Повеќето мерни ленти се проценети за :

Даден број на циклуси (односно 106 до 107 циклуси). Максимален напор (3% е типичен за спроводни мерни

ленти , 1% за полупроводни мерни ленти). Специфични температурни карактеристиќи за

употреба со одредени материјали (алуминиум, нерѓосувачќи челик, јаглероден челик) за оптимални перформанси кога се споени.

Типичната точност им е 0,2 – 0,5 %.

Типично осетливи мерни ленти

Други мерни ленти Други мерни ленти за специјализирани

апликации. Фиберо оптичќи мерни ленти.

Промена на должината на фибер оптичкото влакно се врши поради напорот, а фибер оптичќите влакна се променуваат и во фазата кога минуваат низ светлината.

Мерењето во светлосната фаза е дриектно или во инферометричќи метод кој може да направи читање на напор во минута што неможе да се добие со други мерни ленти.

На уредот и електронитака потребно е далеку посложена процедура одколку кај стандарните мерачи.

Други мерни ленти Постојат исто така течни мерни ленти кои се

подпираат на одпорноста на електролитската течност во флексибилен сад кој може да се деформира.

Друг тип на мерни ленти кои се користат за ограничена работа се пластичните мерни ленти

Овие се направени како панделќи врз основа на графит или јаглерод во смола како супстрат и се користат на исти начин како и другите мерни ленти.

Тие се со многу висок мерен фактор(околу 300) поинаку тие се тешки за користење а и неточни, механичко нестабилни, жестоко е ограничена нивната практична употреба.

Сензори за сила и допир

Сензорите за сила може да се мерат на многу начини. Наједноставниот – користење на мерна лента. Калибрирање на излезот на единицата за сила

Другите методи вклучуваат: Мерење на забрзувањето на маса (F=ma). Мерење на поместувањето на изворот под дејство на

сила (x=kF , к излезот е константен). Мерење на производи под притисок на сила и некои

варијации на овие основни методи. Ниту еден од нив не е директен мерач на сила. Повеќето се покомпликувани одколку употребата на

мерните ленти.