5/21/2018 Mjerenja

1/27

Otporniki senzori od cvrstih materijalaprimenjuju se za merenje veliinakoje su u vezi sa delovanjem mehanicke sile ili temperature. Prave se od metala ili poluprovodnika.

Otpor metalnih senzora racuna se na osnovu poznate formule: R=l/S.Po djelovanjem mehanicke

sile na neki nacin se mijenjaju geometrijske osobine tog otporaa samim tim i njegova otpornost.

Osnovno svojstvo svih cvrstih otpornika je da im otpor u manjoj ili vecoj meri zavisi od temperature.Za tehniku praksu posebno su interesantni metali i poluprovonici koji u oreenim temperaturnim

ijapazonima imaju konstantnu osetljivost. To su termootpori koji slue kao osnov za granju senzora

temperature.Ko poluprovonikih otpornika intenzitet osvetljenosti ima uticaj na promenu otpora.

Naime, unutrasnji otpor Ru vecine poluprovodnika linearno se smanjuje sa povecanjem intenziteta

osvetljenosti. Ovo je unutrasnji fotoefekat. Od poluprovodnika s jako izrazenim unutrasnjim

fotoefektom prave se fotootpornici, koji sluze za gradnju fotosenzora.

Tekucinski otpornicki senzorisu rastvori elektrolita, pa se cesto nazivaju

elektrolitickim senzorima.Promena otpora u zavisnosti od kolicine i vrste rastvorenog materijalapredstavlja osnov za elektrohemijsko merenje koncentracije tog materijala u rastvoru. Naime, s

rastvaranjem materijala u vodi dolazi do elektrolitske disocijacije. Molekuli materijala raspadaju se na

elektropozitivne (katjone) i elektronegativne (anjone) delove. Vecem stepenu disocijacije odgovara

manji otpor. Ovaj efekat primenjuje se u merenju koncentracije elektrolitickih rastvora. Staticka

karakteristika: koncentracija rastvoraelektricna vodljivost rastvora, ima konstantnu osetljivost, ali

je velika smetnja njena zavisnost od temperature.

Gasni otpornicki senzoriprave se kao stakleni baloni (cevi) ispunjeni razre-enimgasom.Zagrejavanjem negativne elektrode (katode) dolazi do termoelektronskeemisije elektrona.

Osloboeni elektroni sudaraju se sa molekulima gasa i joniziraju ih.Kolicina jona proporcionalna je

gustini gasa, odnosno pritisku gasa. Katode napravljene od nekih materijala, na primer, od kalijuma ili

cezijuma na srebrenoj podlozi, podlozne su vanjskom fotoefektu. Kada se takva katoda osvetli,

nastaje proces fotoelektronske emisije elektrona. Radi ubrzanja procesa izmeu katoe i anode

prikljucuje se jednosmerni napon reda 100 V. Struja koja se javlja kao rezultat fotoefekta zavisi od

intenziteta svetlosti, pri cemu su fotocelije na bazi jednog materijala izrazito osetljive na oreenu

talasnu duzinu svetlosti.

KAPACITIVNI SENZORI

Osnovne postavkeDve metalne ploce izmeu kojih se nalazi ielektricni (izolacioni)materijal grade kondenzator C = 0rS/d. Ukoliko se na S, ili utice nekom neelektricnom

velicinom, tada kapacitet C zavisi od te velicine, pa se na taj nacin dobija kapacitivni senzor.Dobre

osobine kapacitivnih senzora su: jednostavnost, preglednost, visoka osetljivost, svestrana

upotrebljivost te primena i kod visih temperatura.Losa

osobina kapacitivnih senzora je njihov veliki unutrasnji otpor, koji zahteva jos veci

ulazni otpor mernog elektronskog bloka. Neostatak je takoe i osetljivost

relativne ielektricne konstante ielektrika na elovanje tecnosti sa r > 1, kao sto su

razna ulja, a narocito voda. Staticka karakteristika na promjenu povrsine je linearna, na promjenu

udaljenosti medju plocama nelinearna te na promjenu relativne permeabilnosti linearna.

.

5/21/2018 Mjerenja

2/27

Kapacitivni senzori sa promenljivom povrsinom

Prosti plocasti kapacitivni senzor

Ovaj tip senzora napravljen je na bazi plocastog kondenzatora (slika 10.2a). Jedna ploca je fiksna, adruga se pomice, tako a je kapacitet oreen preklapajucom povrsinom na duzini x:C = 0 *xb/d .

Dobijena staticka karakteristika je linearna. Meutim, rubni efekti elektrostatickog polja uticu na

kapacitet. Posebno je tesko odrzavati pravac kretanja ploce tako da se ne javi poprecno kretanje, tj.

ostupanje razmaka izmeu ploca za .

Diferencijalni senzor sa promenljivom povrsinomizmeu plocasastoji se od dve fiksne i jedne pokretne ploce. Takav senzor ima dva radna kondenzatora . Prilikom

pomeranja pokretne ploce kapacitet jednog kondenzatora se povecava, a drugog

smanjuje.Ugradnjom diferencijalnog kapacitivnog senzora u mosni spoj omogucava se istovremenopracenje promena na oba kondenzatora, pa je staticka karakteristika takvog spoja razlika C1 C2 .

Time se prosiruje merni opseg, i postize veca tacnost nego kod prostog kapacitivnog senzora.

Poludiferencijalni kapacitivni senzor sa promenljivom

povrsinom

Ovakav senzor sastoji se od dva kondenzatora, od kojih je jedan radni, a drugi fiksni.Staticka

karakteristika poludiferencijalnog kapacitivnog senzora linearna i u celosti se nalazi u prvom

kvadrantu.

Ugaoni kapacitivni senzor. Ploce kod kapacitivnog senzora mogu biti izvedene kaokod ugaonog kondenzatora. Statorska ploca je fiksna a rotorska se zakreceza ugao .Sve ono sto se

odnosi na plocaste kapacitivne senzore sa uzduznim pomeranjem ploca vazi i za zakretne plocaste

kondenzatore.

Cilindricni kapacitivni senzor. Za prakticne primene veoma je pogodan senzor nabazi cilinricnog konenzatora . Metalne elektroe su u obliku cilinra, poluprecnika r1 i r2, a izmeu

njih je dielektrik dielektricne konstante . Pomijeranjem jedne od te dvije elektrode mijenja se

povrsina izmedju njih a samim tim i kapacitivnost.

Kapacitivni senzori sa promenljivim razmakom izmeu

ploca

imaju nelinearnu staticku karakteristiku sa velikom osetljivoscu u odnosu na promenu razmaka

izmeu ploca .Promena kapaciteta je veoma osetljiva na promenu razmaka izmeu ploca

senzora, pa se zato ovi senzori upotrebljavaju za pracenje fizikalnih velicina koje se manifestuju kao

mali pomaci reda milimetra, mikrometra, pa i manje.

5/21/2018 Mjerenja

3/27

Prosti plocasti kapacitivni senzorsa promenljivim razmakom izmeu ploca ,ima negativnu osetljivost C/. To znaci da s porastom pomaka kapacitet senzora opada i obratno.

Osnovni nedostatak prostih, jednokapacitivnih senzora, bilo da im se kapacitet menja zavisno od

velicine aktivne povrsine ploca bilo velicine zazora izmeu njih, jest zavisnost kapaciteta i od drugih

velicina, a ne samo od merene. Zbog toga, tacno izmeren kapacitet ne znaci i tacno oreivanjemerene velicine. Naprotiv, takvo merenje uvek sadrzi gresku. Ovu cinjenicu treba imati u vidu

prilikom izbora merne seme sa jednokapacitivnim senzorima.

Diferencijalni kapacitivni senzorsa promenljivim zazorom ima tri elektrode .Sredisnja elektroda se pokrece u skladu sa delovanjem merene velicine.Staticka karakteristika je

dvokvadrantna ako se izlaz uzima sa oba kondenzatora. U tom slucaju merni opseg dvostruko je veci

nego kod prostog plocastog kapacitivnog senzora. Karakteristika je linearna samo za male pomeraje.

Poludiferencijalni kapacitivni senzor sa promenljivim zazorom ima pokretnujednu vanjsku elektrodu (slika 10.5c). Staticka karakteristika je linearna samo za

5/21/2018 Mjerenja

4/27

osnovu cega se izvodi odgovarajuca staticka karakteristika. Senzori ovog tipa grade se za merenje

nivoa sipkastih i tecnih materijala.

INDUKTIVNI SENZORI

Rad elektromagnetnih senzora zasniva se na zavisnosti induktivnosti kalema od promene otpora

elektromagnetnog kola ili na elektromagnetnoj indukciji. U tom smislu razlikuju se induktivni,

meuinduktivni i indukcioni (elektrodinamicki) senzori. Inuktivni i meuinduktivni spadaju u

pasivne, a indukcioni u aktivne senzore.Staticke karakteristike. Magnetni permeabilitet, broj navoja i

geometrija elektromagnetnog kola menjaju se pod uticajem mehanickih velicina, te se na osnovu

toga grade odgovarajuci induktivni senzori.Samo je staticka karakteristika koja se odnosi na sirinu

zazora nelinearna, a odgovarajuca osetljivost nije konstantna, vec zavisi od radne tacke unutar

opsega merene velicine. Staticke karakteristike koje se odnose na magnetni permeabilitet zazora i

povrsinu zazora su linearne, pa je i osetljivost senzora u odnosu na te velicine konstantna.

Induktivni senzori sa promenljivim zazorom

Induktivnost ovog senzora menja se zavisno o promene vazuznog zazora izmeu jezgra (jarma) i

pokretnog dela od feromagnetika (kotve). Prosti induktivni senzor ima jaram u obliku slova U ili E

.Kada se kotva priblizi jarmu, zazor se smanji, a induktivnost naraste. Staticka karakteristika je

linearna samo za male relativne promene vazdusnog zazora.Mnogo je bolji diferencijalni induktivni

senzor koji je, zapravo napravljen od dva induktivna senzora tipa E. Prilikom kretanja kotva se

primice jednom kalemu, a od drugog se udaljava, tako da induktivnost jednog kalema raste a drugog

opada. Staticka karakteristika diferencijalnog induktivnog senzora dobija se kao razlika karakteristika

dvaju prostih induktivnihsenzora: L = L1L2. Diferencijalni senzor omogucava merenje pozitivnog i

negativnogpomeraja kotve, na dvostruko vecem opsegu u odnosu na prosti senzor. Induktivni senzori

sa promenljivom povrsinom vazdusnog zazora. Kotva ovih senzora pomera se paralelno s navojima.

Proste varijante imaju U ili E-presek jezgra . Mnogo su prakticnije izvedbe sa pomicnim jezgrom .

Prosirenje opsega i poboljsanje linearnosti postize se i u ovom slucaju izradom diferencijalnog

induktivnog senzora.

Induktivni senzori sa promenljivim magnetnim

permeabilitetom

Magnetni permeabilitet zazora menja se pomocu metalnog zastora u obliku ploce ili prstena .

Promena je efikasnija ako je metal feromagnetni. Kada je zastor od magnetno nepropustljivog

materijala aluminijuma ili mesinga taa se na njemu javljaju povrsinske struje koje ona ovoe

do promene induktivnosti senzorskog kalema. Posebna klasa induktivnih senzora su

magnetoelasticni senzori. Njihov rad zasniva se na svojstvu nekih magnetnih materijala da menjaju

permeabilnost usled mehanickog naprezanja.Osnovna karakteristika magnetoelasticnih senzora je

faktor magnetoelastic ne osetljivosti koji predstavlja odnos relativne promene magnetne

permeabilnosti materijala / i relativne eformacije l / l .Na tacnost ovih senzora najvise uticu

temperatura i zaostali mehanicki naponi. Tacnost im je obicno rea 3 4%.

5/21/2018 Mjerenja

5/27

MEUINDUKTIVNI SENZORI

Princip rada. Ovo je posebna klasa induktivnih senzora jer imaju po dva navoja magnetno povezana.

Zahvaljujuci tome, izmeu izvora napajanja i izlaza postoji transformatorska veza, pa se ovi senzori

nazivaju i transformatorski. Grade se tako da imaju promenljivu sirinu zazora ili promenljivu povrsinu

preseka. Pogodni su za merenje malih mehanickih pomeraja. Na primarni namotaj N1, koji je

ravnomerno rasporeen po celoj duzini senzora, prikljucen je naizmenicni napon napajanja U.

Sekundar je podeljen na dva navoja, N2 i N2 , koji su suprotno namotani i vezani u seriju.

Proporcionalno polozaju pomicnog jezgra na njima se indukuju naponi U2 i U2 , odnosno ukupni

izlazni napon je Ui = U2 U2 . Prilikom prolaska kroz sredisnji polozaj izlazni signal menja znak, sto

odgovara promeni faze za 180.Konstrukcija iferencijalnog meuinduktivnog (transformatorskog)

senzora omogucava prosirenje mernog opsega i bolju linearnost.Amplituda izlaznog signala

proporcionalna je pomeraju kotve, a faza izlaznog signala pozitivnom/negativnom pomeraju u

odnosu na nulti polozaj.Amplituda izlaznog signala proporcionalna je pomeraju kotve, a faza izlaznog

signala pozitivnom/negativnom pomeraju u odnosu na nulti polozaj.

INDUKCIONI SENZORI

Princip rada ovih senzora zasniva se na elektrodinamickoj indukciji. U provodniku koji se krece i

preseca silnice stalnog magnetnog polja (slika 11.5a) indukuje se napon.Brzina kretanja kalema (ili

magneta) linearna je (v = dx/dt ) ili ugaona ( = / t ), pa se inukcioni senzori upotrebljavaju za

detekciju brzine ili velicina koje su sa njom u funkcionalnoj vezi. Izlaz je jednak nuli kada pokretni deo

senzora miruje.Na tacnost indukcionih senzora uticu temperatura i nestabilnost parametara magneta

usled starenja, kao i nelinearnost magnetnog polja u zazoru. Uobicajena tacnost je reda 0,11%.Nacin gradnje elektrodinamickih indukcionih senzora zavisi od toga da lise radi o izvedbi sa

pokretnim kalemom (slika 11.5a) ili pokretnim magnetom (slika 11.5b), odnosno da li su namenjeni

za detekciju ugaone brzine (slika 11.5c).

PIJEZOELEKTRICNI SENZORI

Piezoelektrini efekt (gr. piezo - gurati) je pojava stvaranja elektrinog naboja na povrini posebno

orezanog kristala (vrsti ielektrik - izolator) koji je elastino eformiran vanjskom silom. Jena

strana (povrina) tog kristala nabit de se negativno, a ruga pozitivno. Dakle, kristal postaje elektriki

polariziran. Polarizacija kristala je najveda kaa je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrine osi

kristala. Promjenom smjera deformacije (tlak - vlak) dolazi do polarizacije obrnutog smjera.

Piezoelektrini efekt otkrili su 1890. Jacques i Pierre Curie. Koristi se u senzorima tlaka.

Prosti pijezoelektricni senzorigrade se u obliku: prizme, diska, cilindra ili

dela cilindra.Senzor u obliku prizme je tzv. longitudinalni (d33) ili transverzalni (d31) , generator,

zavisno od toga da li sila deluje paralelno sa polarizacijom ili je okomita na nju (slika 12.5a). Najveca

osetljivost (izlazni napon na jedinicu istezanja/sabijanja)

5/21/2018 Mjerenja

6/27

je kad je maksimalni odnos l/d, tj. kad je pijezoelektrik u obliku trake (l > 4d) . Nazalost, traka ima

malu cvrstinu i lako se lomi pod uzduznim opterecenjem.Oblik diska (slika 12.5b) povoljniji je od trake

u pogledu cvrstine (D > 15d) .

Naprezanje diska moze biti normalno ili radijalno.Najbolju cvrstinu ima senzor u obliku cilindra (slika

12.5c), ali ga je tehnoloski najteze proizvesti. Potrebno je, naime, obezbediti da poprecni presek sto

manje odstupa od kruznog prstena, kao i da debljina prstena bude jednaka po celom

perimetru.Uzduzni segment cilindra ima sva dobra svojstva cilindra i zbog zakrivljenosti mnogo je

cvrsci od trake.

Visestruki pijezoelektricni senzori.Nedostaci prostih pijezoelektricnih senzorasu mali izlazni napon i slaba mehanicka cvrstina. Ovi nedostaci puno manje su izrazeni kod visestrukih

ili slozenih senzora, koji se grade paralelno-serijskim spajanjem vise prostih pijezoelektricnih

senzora.Senzori iz ove grupe najcesce se prave od vise slojeva prostih trakastih ili diskoidnih senzora

. Smer polarizacije svakog narednog sloja istog je ili suprotnog smera u odnosu na polarizacijunarednog, odnosno elementi su u elektricnom smislu spojeni serijski ili paralelno.

Jednomorfni i dvomorfni pijezoelektricni senzoriprimenjuju se zadetekciju vecih mehanickih pomeraja. Jednomorfni senzor pravi se od pijezoelektricne trake

nalepljene na tanku metalnu traku (slika 12.7a). Na jednom kraju senzor je ucvrscen, a na slobodnom

kraju deluje mehanicko opterecenje.Vece pomeranje slobodnog kraja (i do 100 mm) i veca osetljivost

postizu se pomocu bimorfnog senzora. To su dve razlizite pijezoelektricne trake nalepljene jedna na

drugu, tako da se jedna delovanjem opterecenja sabija, a druga isteze. Za isti pomeraj slobodnog

kraja serijski spoj daje veci izlazni napon, koji je jednak sumi napona pojedinacnih pijezoelektricnih

slojeva. Kada se prave aktuatori, pretvaraci napona u male pomeraje, onda je povoljniji paralelni spoj

jer je njegova osetljivost pomeraj-napon veca. Veca cvrstina dobije se fiksiranjem oba kraja. Tada

ulazna velicina deluje u sredini.

Transformatorski pijezoelektricni senzori

Ovi senzori sastoje se iz dve pijezoaktivne sekcije. Prva sekcija radi na principu obratnog

pijezoefekta, tako sto ulazni naponski signal pobuuje mehanicke oscilacije u oblasti rezonantnih

frekvencija, gde je amplituda unutrasnjih naprezanja najveca. Druga sekcija radi na principu

direktnog pijezoefekta.

Senzori ovog tipa upotrebljavaju se za merenje elektricnih velicina (struje, napona, frekvencije).

OPTOELEKTRONSKI SENZORI

SENZORI LINEARNOG I UGAONOG POMERAJA

Optoelektronski senzori privlae panju mnogih istraivaa i korisnika. Razlog je u tometo se fizikalni

osnov rada optoelektronskih senzora zasniva na promeni parametara optikog signala sa promenom

merene fizikalne veliine. Zbog toga, za razliku od otpornikih, kapacitivnih, elektromagnetnih i

5/21/2018 Mjerenja

7/27

pijezoelektrinih senzora, optoelektronski senzori nemaju galvanske i magnetne veze, vedsamo

optike. U tom smislu optoelektronski senzori esto se oznaavaju samo kao optiki senzori.

Zahvaljujudi optikom signalu postignuti su: galvansko razdvajanje, jednostavnijeeme prikljuivanja,

kompatibilnost merenja i prenosa signala, zatita odumova, mogudnost merenja fizikalnih veliina

kako u oblasti malih tako i u oblasti velikih vrednosti, standardizacija izlaznog signala, te visok kvalitet

statikih i dinamikih karakteristika. Optiki senzori u funkcionalnom pogledu su fleksibilniji,

pouzdaniji i univerzalniji od klasinih senzora, jer se mogu upotrebiti u svim uslovima delovanja jakog

magnetnog polja, visoke temperature, elektrinihumova i hemijske korozije. Zbog dobrih osobina

optiki senzori prisutni su u automatskoj regulaciji tehnolokih procesa, robotici, avionici, vojnoj

tehnici, medicini, specijalnim

merenjima u elektroenergetici, termotehnici itd. Manje dobre osobine optikih senzora odnose se na

sloenost izrade, obradu signala, osetljivost na mehanike vibracije, te na relativno visoku cenu.

Merena fizikalna veliina dovodi se u vezu sa odreenim parametrom optikog signala, koji je,zapravo, elektromagnetni talas. Osnovni parametri optikog signala su: amplituda, frekvencija, faza,

polarizacija i rasejavanje svetlosnog toka.

Promena amplitude optikog signala tokom vremena u zavisnosti od amplitude merene fizikalne

veliine jest amplitudna modulacija.

Promena frekvencije, odnosno talasne duine optikog signala u zavisnosti od amplitude merene

fizikalne veliine jest frekventna modulacija.

Promena faze optikog signala srazmerno amplitudi merene fizikalne veliine predstavlja faznu

modulaciju.

Promena polarizacije, odnosno ugla linearne polarizacije optikog signala prema referentnoj osi

srazmerno amplitudi merene fizikalne veliine predstavlja linearni tip polarizacione modulacije.

Promena stepena rasejavanja (propusnosti, dinamike disperzije) signala kroz materijal poznatih

osobina srazmerno amplitudi merene fizikalne veliine predstavlja modulaciju apsorpcijom.

Modulatori

Promena parametara optikog signala srazmerno amplitudi merene fizikalne veliine predstavlja

modulaciju tog signala. Upravljanje amplitudom, frekvencijom, fazom, polarizacijom i rasejavanjem

realizuje se u modulatoru. Modulatori optikog signala mogu se podeliti prema: nainu rada i izvedbi.

Prema nainu rada razlikuju se integralni modulatori optikog signala, koji upravljaju vremenskim

promenama amplitude signala, te prostorni modulatori, koji upravljaju raspodelom amplitude

optikog zraenja u prostoru. U odnosu na izvedbu, razlikuju se optomehaniki, optoelektronski i

direktni (mehanikooptiki) modulatori.

Deflektori optikog signala slue za promenu smera prostiranja signala. Razlikuju se optomehaniki i

optoelektrini deflektori.

Klasifikacija. Optiki senzori odlikuju se velikom raznovrsnodu, pa se zbog toga njihova klasifikacija

moe izvesti na osnovu razliitih kriterija: parametra optikog signala koji je nosilac merne

5/21/2018 Mjerenja

8/27

informacije fizikalnog efekta koji dovodi do promene odreenog parametra optikog signala u

zavisnosti od merene fizikalne veliine naina povezivanja senzora i prenosnog medija tipa

modulacije.

Najpotpunija je klasifikacija na osnovu naina konverzije merene fizikalne veliine u mernu

informaciju. Na bazi ovog opteg kriterija razlikuju se: senzori sa analognom konverzijom, senzori sa

konverzijom analognog signala u signal sa promenljivim periodom ili frekvencijom i senzori sa

analogno-digitalnom konverzijom.

Analogni optiki senzori Izlazni signal optikih senzora sa analognom konverzijom merene fizikalne

veliine u mernu informaciju jest amplituda elektrine struje optikog prijemnika. Ulazna informacija

je intenzitet svetlosti ili pozicija na fotoosetljivoj povrini prijemnika na koju pada zrak svetlosti

konstantnog intenziteta.

Pozicija se menja zakretanjem svetlosnog zraka pomodu nekog optikog elementa (soiva, ogledala,

proreza, prizme itd.), ije je kretanje proporcionalno merenoj fizikalnoj veliini. Dalja podelaanalognih optikih senzora zavisi od tipa konverzije svetlosti u izlazni elektrini signal.

Senzori sa fotoelektronskom emisijom

Prave se u obliku vakuumskih fotocevi kao fotodiode ili fotomultiplikatori.kada se fotokatoda osvetli

monohromatskom svetlodu talasne duine = c/v , apsorbovani foton preaje elektronu ovoljno

energije da savlada energetsku barijeru i sasvim napusti materijal.Pomodu vanjskog izvora U

fotoelektroni se dalje ubrzavaju izmeu anode i katode i sakupljaju na anodi. Rezultujuda fotostruja I

F u vakuumskoj fotodiodi registruje se direktno ili kao pad napona UIZ na opteretnom otporu

Senzori sa efektom fotoprovodnosti(unutranji fotoefekt). Kada elektroni u poluprovodniku prime

energiju fotona h = hc/, oniprelaze iz valentne u provodnu zonu ako je ta energija veda ili jednaka

irini zabranjene zone Eg (1, 09 eV za Si). Efekat se manifestuje u opadanju elektrinog otpora

poluprovodnikog materijala kada na njega pada svetlost

Senzori sa fotonaponskim efektom(fotoelementi). To su aktivni senzori, jer se pod uticajem svetlosti

unutar p-n prelaza javljaju slobodni elektroni iupljine, te se generie ems.Linearnost statike

karakteristike izlazna strujajaina upadne svetlosti zavisi od opteredenja

Senzori sa promenom otpornosti p-n spoja. Kada se fotonaponski element inverzno polarie pomodu

vanjskog naponskog izvora, inverzna struja zasidenja postaje direktno proporcionalna jaini svetlosti.

Senzori sa piroelektrinim efektom. Pod delovanjem svetla (optike radijacije) na oblogama tanke

ploice od feroelektrinog materijala menja se temperaturno polje, koje pobuuje spontanu

polarizaciju, pa se na oblogama javlja elektrini naboj. Bitno je da je naboj proporcionalan promeni

temperature, a ne samoj temperaturi.

Optiki senzori sa periodikim ili frekventnim izlazom Izlazni signal ove klase senzora je impulsni

signal sa promenljivim vremenom trajanja ili sa promenljivom frekvencijom. Impulsi nastaju

skeniranjem ulaznog signala. Pretvaranje ulaznog signala u impulse vri se na bazi linearnog ili

nelinearnog elektrooptikog efekta, magnetooptikog ili akustikooptikog efekta.Kao primer za ove

5/21/2018 Mjerenja

9/27

senzore moe se navesti laserska dioda, kod koje se strujom pobude direktno menja izlazni optiki

signal

Optiki senzori sa analogno-digitalnom konverzijom. Izlazni signal ovih senzora je kd koji je

proporcionalan promeni analognog ulaznog signala. Senzori sa A/D konverzijom su najperspektivniji

optiki senzori.U prvu grupu spadaju senzori sa sekvencijalnim kodiranjem. Opseg merene veliine je

skup sastavnih delovaprirasta merene veliinei svakom delu pridruene odgovarajude jedinice

najnieg cifarskog mesta u kdu. Raunajudi priraste, dobija se cifarski ekvivalent merene veliine.

Proraun se izvodi na osnovu promene kda u odnosu na prethodno stanje (sumirajudi,

inkrementalni koder). U drugu grupu spadaju senzori sa paralelnim kodiranjem jer se izlazni signal

dobija istovremenim oitavanjem vrednosti svih cifarskih mesta (apsoltni koder).

KARAKTERISTIKE OPTIKIH SENZORA

Kvantna efikasnost je mera za svetlosnu snagu koju efektivno apsorbuje

fotodetektor. Definie se kao odnos prosenog broja emitovanih ili proizvedenih

elektrona na kontaktima fotodektora i prosenog broja upadnih fotona.

Ozivnost fotoektora (responsivity) R je onos izlaznog signala (struje ili

napona) optikog senzora i upadne snage zraenja, koji zavisi od talasne duine

svetlosti .

Ekvivalentna snaga uma. Odzivnost kao parametar ne daje informacije koliki je najmanji optiki

fluks koji se detektuje.Ekvivalentna snagaumaNEP (Noise Equivalent Power) jest izvedeniparametarto odreuje minimalni iznos optikog fluksa koji senzor moe da detektuje.

Detektivnost i spektralna detektivnost. Detektivnost je reciprona vrednost

ekvivalentne snageuma pa je direktno proporcionalna kvalitetu optikog senzora.

se trenutno. Razlog je u ogranienjima koja se javljaju u procesu detekcije.

Ova ogranienja su slededa:

vreme ivota nosilaca naboja nastalih delovanjem fotona svetlosti je konano

vreme prolaza generisanih naboja elektriciteta kroz materijal senzora je konano i zavisi od vrste i

dimenzije materijala

pojava termikog kapaciteta kod termikih (optikih) senzora, koji se javlja zbog togato je potrebno

izvesno vreme da materijal od kojeg je senzor napravljen promeni temperaturu nakon delovanja

optikog fluksa

frekventna propusnost pretpojaavaa i pojaavaa

modulacija optikog fluksa koja se provodi skeniranjem ili opovanjem kako bi se smanjioum ilipokrilo vidno polje.

5/21/2018 Mjerenja

10/27

Senzori druge grupe apsorbuju fotone, pri emu apsorbovana energija dovodi do promene

temperature u materijalu od kojeg je napravljen senzor (termiki detektori). Najpoznatiji predstavnici

ove grupe optikih senzora su: termistor, temperaturno osetljivi poluprovodniki otpornik;

bolometar, dva termootpornika u diferencijalnom spoju koji mere promenu temperature

proporcionalne ukupnom upadnom zraenju;

termopar, dva razliita materijala spojena na jednom kraju (koji je izloen radijaciji) generiu ems na

otvorenom kraju koji je u senci;

piroelektrini senzor, temperaturno osetljivi kapacitivni senzor sa piroelektrinim materijalom

izmeu elektroda;

Golejeva delija, pneumatski senzor (gasni termometar), apsorbovana optika energija dovodi do

promene pritiska u deliji.

Optiki senzori prve grupe imaju ui frekventni spektar, vedu osetljivost i bre vreme odziva. Postoji itreda grupa optikih senzora, koji nemaju elektrini izlaz: fotohemijski, fotoplastini, fotohromatski i

luminiscentni.

Optiki izvor kao senzor. Kao izvori svetlosti najede se primenjuju

LED-diode i laserske diode (LD). Zajedniko im je da emitovanje fotona nastaje prelaskom elektrona

sa vieg na nii energetski nivo, tj. sa prelaskom iz provodne u valentnu zonu. Meutim, kod lasera se

radi o stimulisanoj emisiji, a kod LED-diodao spontanoj emisiji. Zbog toga laser ima manju vremensku

konstantu, daje snaniji optiki signal sa uim frekventnim sadrajem, ali zbog impulsnog reima ima

slabije pokazatelje pouzdanosti. Za praktinu primenu u tehnici senzora povoljnije su, ipak, LED-diodezbog linearnije karakteristike.

Optiki parovi kao senzorisastoje se od tri dela: izvora, prijemnika optikog zraenja i prenosnog

medija. Izmeu izvora i prijemnika veze mogu biti optike ili elektrine. unutranje veze optike, a

vanjske elektrine. Na ulaz senzora dovodi se elektrini signal, koji pobuuje optiki izvor. Optiki

signal dovodi se direktno ili pomodu optikog vlakna do optikog prijemnika, na ijem se izlazu

generie elektrini signal. Inae, ovakav optiki par (optocoupler) imairoku primenu za galvansko

razdvajanje elektrinih kola.Optiki senzor moe biti realizovan sa vanjskim optikim i unutranjim

elektrinim vezama (slika 13.13b). U tom sluaju prijemnik optikog signala pretvara ulazni optiki

signal u elektrini. Elektrini signal se pojaava i vodi na generator optikog izlaznog signala. Ovakavoptiki par primenjuje se za kompenzaciju gubitaka u svetlosnim komunikacionim kablovima

Optiko vlakno kao senzor. Optika vlakna sve vie se upotrebljavaju u

sistemima komunikacija. Razlozi su slededi:

mali gubici u prenosu i mogudnost prenosairokog opsega frekvencija;

velika stabilnost parametara i neosetljivost na delovanje vanjskih smetnji kao to su: vlaga,

temperatura i hemijska agresija sredine;

ne provode elektrinu struju, pa stoga nema pojave elektromagnetne indukcije i smetnji koje ona

izaziva;

5/21/2018 Mjerenja

11/27

izvanredna izolacija, pa su neosetljivi na delovanje razlike potencijala,to omogudava primenu u

eksplozivno opasnom prostoru (svojstvo samosigurnosti);

povoljne mehanike osobine (tanki, laki i elastini);

praktino neogranieni resursi materijala za proizvodnju.

Optiko vlakno je dielektrini provodnik svetlosti, napravljen od stakla ili akrilata. Sastoji se od jezgra i

omotaa, te elastinog zatitnog omotaa. Neophodan uslov je da indeks prelamanja svetlosti jezgra

n1 bude vedi od indeksa prelamanja omotaa: n1 > n2 . Efekat totalne unutranje refleksije osnova je

propagacije svetlosti kroz optiko vlakno.Monomodna vlakna podravaju prostiranje samo jednog

osnovnog moda.Za multimodnu propagaciju svetlosti upotrebljavaju se vlakna sa vedom debljinom

jezgra (50 300 m) , a kao izvor svetlosti LD ili LED-dioda.Kada se svetlost sastoji, na

primer, iz dva moda a i b (slika 13.14c), zrak a prolazi dui put od zraka b. To dovodi do deformacije

signala. Ona se smanjuje posebno profilisanom promenom indeksa loma svetlosti: maksimalna

vrednost n1 u osi jezgra opada parabolino do vrednosti n2 na granici sa omotaem.

Senzori na bazi optikog vlakna su interferometarski (merena fizikalna veliina izaziva interferencijske

efekte) ili amplitudni (merena fizikalna veliina modulira intenzitet svetlosti). Za praktine potrebe

prihvatljivija je podela prema nainu detekcije i merenju fizikalne veliine:

Neposredni prijem optikog signala i njegov prenos optikim vlaknom:

fizikalna veliina meri se optikim prijemnikom, a informacioni signal se dalje obrauje u posebnim

kolima

Detekcija na osnovu optikih svojstava drugih materijala i prenos signala optikim vlaknom: za

merenje fizikalne veliine neophodno je optiko pobuivanje senzora (npr. luminiscentni senzor), a

kao rezultat merenja dobije se optiki signal, koji se prenosi optikim vlaknom.

Detekcija merene fizikalne veliine sa modulacijom parametara svetlosti u optikom vlaknumerena

fizikalna veliina prvo se pretvara u neku pomodnu veliinu, koja onda deluje na promenu

parametara svetlosti u vlaknu (slika 13.15d). Ovaj nain rada posebno je pogodan kada se primarna

konverzija ostvaruje pomodu senzora sa elektrinim ili kodiranim izlaznim signalom;

Primarni senzor moe da deluje i kao direktni modulator intenziteta svetlosti (slika 13.15e) ili kao

direktni modulator reflektovane svetlosti, i tada uvek postoji prijemno i odvodno optiko vlakno.

SENZORI LINEARNOG I UGAONOG POMERAJA

Linearni pomerajje promena duine izmeu dve take koje lee na pravoj liniji.

Apsolutno i relativno merenje duine. Merenje ukupne duine nekog tela je apsolutno merenje iji

se rezultat izraava u metrima. U tehnici esto nije potrebno meriti ukupnu duinu, vedsamo

promenu duine posmatranog tela (relativno merenje). Razlika izmeu ova dva metoda ima sutinski

znaajza merenje apsolutne duine potrebni su senzori velikog opsega, a merenje relativnog

pomeranja provodi se pomodu senzora sa manjim opsegom.

5/21/2018 Mjerenja

12/27

Ugaoni pomerajje promena ugaonog poloaja tela koje rotira oko neke ose. Mehanikim vezama

linearni (translatorni) pomeraj esto se pretvara u ugaoni i obrnutougaoni pomeraj pretvara se u

linearni.

Metode merenja linearnog i ugaonog pomerajasu mehanike, elektrine i

radijacione.

SENZORI LINEARNOG POMERAJA

Otporniki potenciometarskisenzor sastoji se od otpornika i pokretnog kontakta.

Potenciometri se prave od izolatora na koji se namota ica ili nanosi otporniki sloj ugljika ili

polimera. Minimalno kretanje klizaa kod ianog potenciometra koje de izazvati promenu izlaznog

napona ostvaruje se prelaenjem sa navoja na navoj (sa ice na icu). Zbog toga se izlazni napon

menja skokovito.Osnovne mane potenciometarskih senzora su mala osetljivost, prisutnost termikihumova i promenljivi prelazni otpor izmeu kontakta klizaa i navoja.

Meutim, zbog jednostavnosti konstrukcije, malih gabarita i cene, te mogudnosti napajanja iz

istosmernog ili naizmeninog izvora veoma mnogo se upotrebljavaju u detekciji i automatskoj

regulaciji pomeraja.

Kapacitivni senzoriSpecijalne izvedbe namenjene su za merenje malih pomaka (do 0, 1 nm), odnosno

velikih pomaka (reda metra).Dobre osobine kapacitivnih senzora pomeraja su dugovenost, odsustvo

pokretnih kontakata i trenja, te mala osetljivost na temperaturu, radijaciju i koroziju.

Osnovni problem u primeni je visoka izlazna impedansa ovog senzora, odnosno podlonostsmetnjama.Mernaema ili instrument za merenje kapaciteta senzora treba da imaju visoko

impedantni ulaz.

Radi povedanja linearnosti statike karakteristike kapacitivni senzor esto se stavlja u povratnu granu

operacionog pojaavaa. Za povedanje osetljivosti merenja primenjuju seeme sa pretvaranjem

kapaciteta u frekvenciju.Zbog lakode implementacije kapacitivni senzori pogodni su u nauno

istraivakim projektima, u fazi gradnje prototipa nekog ureaja.

Elektromagnetni senzori pomerajaprave se u formi pasivnih induktivnih i meuinduktivnih

(transformatorskih) senzora ili u formi aktivnih indukcionih.Elektromagnetni induktivni senzorisastoje se od kalema ija se induktivnost menja sa promenom rastojanja izmeu jezgra i kotve.

Objekti od feromagnetnog materijala najede imaju ulogu kotve.

Senzori pomeraja na bazi tenzoelemenatazasnivaju svoj rad na promeni otpora zbog deformacije.

Primenjuju se za merenje malih pomeraja (0 50 m) koji nastaju kao rezultat primarnog pretvaranja

u instrumentima za merenje nivoa, pritiska, sile, momenta itd.@ivotni vek ovih senzora ogranien je

obino na 30 miliona reverzibilnih ciklusa iz mehaniki nenapregnutog u napregnuto stanje.

Pneumatski pojaavasa prigunicom i zastavicompredstavlja senzor koji

pretvara mehaniki pomeraj u pneumatski signal

5/21/2018 Mjerenja

13/27

SENZORI ZA DINAMIKE POMERAJE

Struna-senzorsastoji se od zategnute ice kao mehanikog vibrirajudeg elementa ija se prirodna

frekvencija oscilovanja menja u zavisnosti od deformacije ice l.Deformacija nastaje zbog pomeranja

tela. Iz generatora se dovede impuls na elektromagnet, koji privue strunu i onda je prepusti vlastitimoscilacijama frekvencije.Promena frekvencije prati se pomodu indukcionog senzora u kojem se zbog

kretanja strune izmeu navoja i stalnog magneta menja magnetni otpor, te se indukuje odgovarajudi

naizmenini napon.Osnovna namena struna-senzora je distanciono merenje pomeraja, sile,

momenta, ugla, pritiska i temperature u sloenim uslovima. Zbog visoke pouzdanosti i zanemarljivog

drifta primenjuje se za merenje geomehanikih i strukturnih deformacija.

Pijezoelektrini senzori, zbog naina rada, iskljuivo mogu da mere dinamike promene. Na

oblogama pijezoelektrinog senzora javlja se naboj proporcionalan mehanikoj deformaciji, nastaloj

kao rezultat delovanja neke promenljive sile.

Optoelektronski senzoriupotrebljavaju se za detekciju pomeraja uirokom opsegu od 1 nm do 10 na

9 m.Klasini optoelektronski elementi pogodni su za detekciju pomeraja okomito na kretanje zraka

svetlosti. Izvor koherentne svetlosti, na primer laserska dioda, smeten je na objektu ije se kretanje

prati. Fotopotenciometar kao optiki prijemnik pogodan je za merenje pomeraja sa frekvencijom

manjom od 100 Hz, jer proces sa unutranjim fotoefektom ima vremensku konstantu vedu od 10 ms.

Senzori pozicije laserskog zraka. U nultom poloaju zrak podjednako obasjava obe diode, pa je izlazni

napon nula nula. Sa pomeranjem zraka na jednu stranu, diferencijalni izlaz proporcionalno raste sve

dok zrak celom svojomirinom ne obasja jednu fotodiodu. Smer kretanja prati se pomodu polariteta

izlaznog napona. Kada zrak sasvim pree na jednu fotodiodu, izlazni napon zadrava maksimalnu

vrednost

Koordinatni senzori (koordinatometri)odreuju poloaj objekta u izabranom koordinatnom sistemu,

odnosno prate kretanje objekta po koordinatama tog sistema. Simultano pradenje kretanja po

koordinatama najede se ostvaruje vremensko- -koordinatnom metodom, takoto se u odreenim

vremenskim intervalima mere koordinate preenog puta i izraunava odgovarajudi pomeraj. Metoda

je primenljiva za bilo koji koordinatni sistem, a fizikalni principi njegove realizacije mogu biti razliiti.

Senzori sa moar-tehnikom

Moar je pojava tamnih i svetlih pruga (moar-pruga) koje nastaju kada svetlost prolazi kroz dveparalelne difrakcione reetke, zakrenute za mali ugao (slika 15.15.a). Kako se ugao smanjuje,

pruge postajuire, a svetli razmak izmeu njih vedi.Prilikom pomicanja jedne reetke u odnosu na

drugu, pomeraju se i moar-pruge, ali tako da je njihov pomak desetine pa i stotine puta vedi negoto

je pomak reetke.Senzori sa moar-tehnikom imaju dve reetke, od kojih se jedna krede. Skalna

reetka uvrdena je na objektu ije se kretanje prati i mora biti dovoljno dugaka da pokrije celo

merno podruje. Indeksna reetka, svetlosni izvor i fotodiode ine ureaj za itanje. Indeksna reetka

moe biti sasvim kratka. Detekcija moar-linija ostvaruje se optoelektronskim sredstvima, bilo

amplitudnim ili faznim metodom itanja.Amplitudni metod itanja poloaja moar-pruga provodi se

osvetljavanjem fotodiode, takoto uski zrak svetlosti prolazi kroz skalnu i indeksnu reetku, u ijem

fokusu je postavljena fotodioda. Praktinije je da skalna reetka ima refleksivnu povrinu, jer je tada

5/21/2018 Mjerenja

14/27

svetlosni izvor i prijemnik mogude montirati sa iste strane ureaja.Najvede greke uzrokuju

translacije reetaka u vertikalnom smeru i neeljena translacija dumerne (horizontalne) ose.

Linearni induktosinje inkrementalni enkoder visoke rezolucije, napravljen kao specijalni tip

transformatorskog elektromagnetnog senzora. Primarni navoj (skala) napravljen je od tanke ice,

savijene u obliku povorke pravouglih impulsa (slika 15.16a). Tipina duina jednog ciklusa (koraka) je

s = 2mm, a skala moe biti dugaka i nekoliko metara. Duskale, na rastojanju od 0,125 mm, krede se

pokretni deo senzora (kliza), koji je privrden za objekt ije se kretanje prati.U navojima klizaa

indukuju se naponi u zavisnosti od poloaja u odnosu naskalu.Kada se navoji sekundara poklapaju sa

navojima primara u njima se zbog maksimalne elektromagnetne sprege indukuje pozitivni

maksimum, a kada se sekundar pomeri za s/2 u njemu se indukuje negativni maksimum. Zatim se za s

ponovo javlja pozitivni maksimum.Ukupni pomeraj klizaa odreuje se iz broja preenih ciklusa i

pozicije unutar zateenog ciklusa. Indukovani naponi (15.29) daju samo informaciju o poziciji unutar

ciklusa. Posebnim mehanikim, elektrinim ili optikim sredstvima pravi se reverzibilni broja

preenih ciklusa.Fazno prednjaenje ili kanjenje napona V1 u odnosu na V2 slui za odreivanje

smera kretanja klizaa.

Lokacioni senzorirastojanja rade na principu merenja vremena koje je potrebno radio, optikom,

radioaktivnom, zvunom ili ultrazvunom talasu da pree to rastojanje. Pri tome je brzina talasa

poznata i konstantna u toku merenja.

Lokacioni senzori su jedna podgrupa radijacionih senzora. Obino su predajnik i prijemnik talasa na

istom kraju merenog rastojanja, dok je na drugom kraju reflektor talasa. Kao reflektor esto slui

povrina objekta ije se rastojanje od referentnog poloaja meri.

Radio-lokacioni i optiki lokacioni senzori upotrebljavaju se za merenje velikih rastojanja (10 1012m). Za manja rastojanja ovi senzori su nepovoljni jer je vreme preleta od predajnika do prijemnika

oko 1 ns, i teko je merljivo.

Za tehniku praksu su interesantniji akustini lokacioni senzori, kojima se mere rastojanja u opsegu

103 106 m.Laser je povoljan kao preajnik kaa povrina objekta dobro reflektuje svetlost.

Fotodioda tada slui kao prijemnik.

Lokacioni senzori faznog tipa imaju predajnik (modulator) koji neprekidno emituje talas amplitudno

modulisan sinusnim signalom visoke frekvencije f (slika 15.17b). Princip rada zasniva se na

posrednom merenju vremena preleta od prijemnika do objekta i obratno. Ovo vreme odreuje se iz

razlike faza referentnog modulirajudeg signala i odbijenog signala od objekta.

Holografski senzori

Sutina merenja sastoji se u interferenciji konturnih linija objekta istog nivoa. Objekt se osvetljava

koherentnom svetlodu iz laserskog izvora: jedan njen deo se reflektuje od objekta i interferira sa

referentnom svetlodu uzetom direktno iz izvora (slika 15.20). Svetlost prethodno prolazi kroz

ekspandere koji omogudavaju da se osvetli veda povrina. Tako se dobijaju dvodimenzionalne

interferencijske slike (hologrami), koje se zapisuju na fotografskoj ploi. Kasnije, u bilo kom trenutku,

hologram se moe prosvetliti istom koherentnom svetlodu i tako rekonstruisati izvorni talasni front.

Gledajudi kroz hologram, uoava se verna trodimenzionalna slika objekta.

5/21/2018 Mjerenja

15/27

Senzori sa optikim vlaknom. Najstariji tip ovog senzora radi na principu refleksije svetlosti od

povrine pokretnog objekta. Okomito na objekat postavljena su dva optika vlakna (slika 15.21a).

Dovodno vlakno povezano je sa laserskim izvorom svetlosti, a prijemno vlakno povezano je sa

fotodiodama. Izlazni signal zavisi od rastojanja izmeu objekta i optikih vlakana.

Drugi tip senzora pomeraja na bazi optikog vlakna primenjuje se za neprovidne objekte. Dva

paralelna optika vlakna postavljena su tako da je izmeu njih zazor (slika 15.22a). U zazoru se

nalazi pokretni objekt. Izlazni signal iz fotoprijemnika jednoznano se menja sa pomicanjem objekta

r ako je zaovoljen uslov a je objekat vedi od prenika vlakna.Izlazni signal u = u/umax

proporcionalan je osvetljenom delu poprenog preseka vlakna.

SENZORI UGAONOG POMERAJA

Senzori ugaonog pomeraja detektuju pomak objekta oko neke ose.

Inkrementalni senzori (enkoderi)sastoje se od pretvaraa merenog ugla u niz impulsa i brojaaimpulsa. Broj impulsa pamti se u odnosu na poetnu poziciju. Kada doe do promene ugla, generiu

se samo dodatni impulsi proporcionalno toj promeni i njihov broj sumira na prethodno stanje

brojaa, te se na izlazu indicira ukupno ugaono pomeranje. Time se postie velika brzina odziva, ali

gubitak makar i jednog impulsa dovodi do greke koja se vie ne moe otkloniti. Brojaimpulsa je

reverzibilan: impulsi se sabiraju za pozitivne, a oduzimaju za negativne pomeraje.

Pretvaranje merenog ugla u sled impulsa ostvaruje se elektromagnetnim ili optoelektronskim

sredstvima. U prvom sluaju na osovinu ije se zakretanje meri postavlja se nazubljeni disk od

feromagnetnog materijala. Za itanje pozicije primenjuje se transformatorski pristup. Kada je zubac u

vazdunom zazoru impulsnog transformatora, izlaz iz transformatora je priblino jenak nuli U2 0 ,

a kada je zazor slobodan, izlazni signal je U1.

Optoelektronski enkoder sastoji se od izvora svetlosti, od jednog diska sa dva niza proreza

ravnomerno rasporeenih po obodu i odgovarajudih elektronskih kola za obradu signala sa

prijemnika svetlosti. Izvori svetlosti najede su infracrvene LED diode, a kao prijemnici odgovarajude

fotodiode. Prolaz svetlosti kroz proreze prilikom zakretanja osovine detektuje se u fotodiodi i

generiu se pravougaoni impulsi (kvadratura enkodera). Na slici 15.23 detektori su fotonaponski

elementi u reimu kratkog spoja. Broj impulsa proporcionalan je ostvarenom zakretanju.Prorezi na

unutranjoj stazi rotirajudeg diska pomereni su za 1/2irine u odnosu na proreze po obodu, pa

impulsi fotoprijemnika na unutranjoj stazi kasne ili prednjae u zavisnosti od smera rotacije

Obrtni transformatorje elektromehaniki senzor slian naizmeninom mikromotoru. Izlazni signal je

harmonijska funkcija ugaonog pomeraja osovine.Rotorski namotaj spojen je na osovinu ije se

zakretanje prati (slika 15.27a). Nain rada obrtnog transformatora zavisi od toga da li se ugaoni

pomeraj konvertuje u promenu amplitude ili u promenu faze izlaznog napona.Amplitudni reim rada

obrtnog transformatora ostvaruje se prikljuivanjem statorskog namotaja na naizmenian napon sa

oscilatora.U rotorskom namotaju zbog meuindukcije indukuje se elektromotorna sila, ija veliina

zavisi od uzajamnog poloaja statora i rotora. U sluaju kada je pobudni magnetni fluks okomit na osu

rotora, koeficijent meuindukcije jednak je nuli, pa je elektromotorna sila jednaka nuli. Ako je

rotorski namotaj u poloaju , u njemu se indukuje elektromotorna sila proporcionalna onom delu

pobudnog magnetnog fluksa koji preseca namotaj.

5/21/2018 Mjerenja

16/27

Fazni reim rada obrtnog transformatora ostvaruje se dovoenjem dvofaznog sinusnog napona na

dva okomita statorska namotaja. Obadva pobudna namotaja indukuju napon u rotorskom namotaju.

Iz jednaine (15.46) proizilazi da je faza izlaznog napona linearno proporcionalna sa merenim uglom.

Selsinje posebna elektrina naizmenina maina.Princip rada selsina zasniva se na stvaranju tri

naizmenine sinusne elektromotorne sile, ije amplitude i faze zavise od ugaonog poloaja rotora.

Selsin ima dva namotaja: trofaznisa faznim namotajima pomerenim meusobno za 120o ,

spojenim u zvezdi i smetenim na rotoru (ili statoru) i jednofaznismeten na statoru (ili rotoru).Za

tzv. normalni tip selsina naizmenini pobudni napon dovodi se na jednofazni namotaj, a izlazni signal

uzima se sa krajeva faznih namotaja spojenih na tri kolektorska prstena na rotoru.

Rotacioni induktosinje meuinduktivni (transformatorski) senzor, iji je izlazni signal povezan sa

merenim uglom sinusnom i kosinusnom funkcijom. Princip rada slian je kao kod linearnog

induktosina. Osnovni elementi rotacionog induktosina su statorski i rotorski disk.Rotorski i statorski

navoji naneseni su radijalno u obliku tankog metalnog filma. Induktivna sprega izmeu ovih navoja

daje n perioda sin/cos signala za jedan puni obrtaj rotora (360o ).Rotacioni induktosin obino se gradi

kao inkrementalni senzor. Zbog toga de se informacija o originalnoj nuli izgubiti ukoliko doe do

prekida u napajanju u toku kretanja rotora. Poseban senzor-marker slui za generisanje impulsa za

svaki puni obrtaj rotora.Tipini rotacioni induktosin ima dve inkrementalne staze, koje se meusobno

razlikuju za jedan korak.Kada se navoji rotora i statora podudaraju, induktivna sprega je maksimalna,

pa je i indukovani napon na statoru maksimalan. Kada se rotor pomeri za etvrtinu koraka,

indukovani napon postane jednak nuli. Izlazni signal sa unutranje staze sa N navoja nastaje na isti

nain, ali fazno prednjai ili kasni u zavisnosti od smera kretanja rotora.

Magnetorezistivni senzorisu specijalni beskontaktni senzori poloaja, izraeni od poluprovodnika iji

se otpor menja u magnetnom polju (Gausov efekat). Zato se jonazivaju i magnetoupravljivi ili

Gausovi senzori.Magnetorezistori u obliku diska sa kontaktima u sredini i po periferiji diska imaju

najvedu promenu otpora, ali zbog neravnomernog rasporeda strujnog toka imaju jako izraen

temperaturni gradijent. Za praktinu primenu najpovoljniji oblik ima tankoslojni pravougaoni

element.MR-senzor ne moe da detektuje promenu smera vektora B.

SENZORI BRZINE I UBRZANJA

Principi gradnje senzora brzine i ubrzanja. Osnovni element senzora brzine i ubrzanja je

diferencijator, koji omogudava automatsku konverziju merene ulazne veliine u izlazni signal

proporcionalan izvodu te veliine

Integrodiferencijator je funkcionalni pretvaraija je izlazna veliina z izvod ili integral ulazne veliine

y.

Integrodiferencijator n-tog reda gradi se serijskim povezivanjem n integrodiferencijatora prvog reda.

SENZORI UGAONE BRZINE

Centrifugalni senzorje mehaniki ureaj. Njegov rad zasniva se na pojavi centrifugalne sile pri

rotacionom kretanju.Na rotirajudoj osovini centrifugalnog senzora je teret kugle koje su pomodu

zglobne veze i poluga povezane sa spojnicama (slika 16.4b). Jedna spojnica je fiksirana za osovinu, a

druga se pomie duosovine. Izmeu spojnica je sabijena opruga, koja tei da se izdui i da tako

5/21/2018 Mjerenja

17/27

priblii kugle osovini senzora. Na kuglama se zbog rotacije javlja centrifugalna sila Fc , a njena

komponenta duosovine Fos = kc2 pomera pokretnu spojnicu ok se ne uravnotei silom opruge Fo

= kox

Senzori sa satnim mehanizmom (hronometarski tahometri), rade na principu merenja broja obrtaja

u toku odreenog perioda vremena. Prema tome, oni ne mere trenutnu vrednost ugaone brzine, ved

srednju vrednost. Zato se ovi senzori nazivaju i tahometri srednje brzine ili tahoskopi.Senzori srednje

brzine imaju tri bitne konstruktivne celine: satni mehanizam, brojaobrtaja i ureaj za startanje i

resetovanje.

Magnetni senzorima stalni magnet na osovini ija se brzina meri. Na drugoj osovini, koja se nalazi na

istom pravcu sa glavnom osovinom, uvrden je cilindrini poklopac od nemagnetnog materijala

zanemarljivog elektrinog otpora - najede je to aluminijum. Na istoj osovini je i mehanizam za

pokazivanje, ija je opruga jednim krajem zavarena za osovinu, a drugim krajem za kudite senzora.

Pri okretanju glavne osovine magnetne silnice stalnog magneta presecaju poklopac, pa se u njemu

indukuje elektromotorna sila i javljaju vihorne struje. Uzajamno delovanje magnetnog polja vihornih

struja i polja stalnog magneta stvara rotirajudi moment u odnosu na osu poklopca. Ovaj moment

zakrede poklopac, u istom smeru u kojem se okrede stalni magnet, sve dok se ne uspostavi stanje

ravnotee sa protivdelujudim momentom opruge. Dobijamo na kraju da je ugaona brzina

proporcionalna uglu zakretanja poklopca preko koeficjenta k koji zavisi od kontsruktivnih elektricnih i

magnetnih parametara.Staticka karakteristika je linearna.

Istosmerni tahogeneratorje istosmerni generator koji stvara elektromotornu silu proporcionalnu

brzini obrtanja rotora. Pobuda tahogeneratora ostvaruje sepomodu stalnih magneta (slika 16.6a) ili

namotaja sa konstantnom i nezavisnom pobudom (slika 16.6b). Rotorski (armaturni) namotaj preseca

magnetno polje i indukuje se elektromotorna sila E proporcionalna fluksu pobue i brzini obrtanja

.U realnim uslovima na izlazu tahogeneratora je prikljueno neko opteredenje RL , pa je struja u

kolu rotora.Izlazni napon na opteredenju RL proporcionalan je brzini vrtnje, a polaritet mu se menja s

promenom smera vrtnje.Za odreeni ijapazon promene brzine o 0 o g za koji je izlazni napon

linearan.

Naizmenini tahogeneratoriprave se kao sinhroni ili asinhroni tahogeneratori. U prvom sluaju to je

jednofazni sinhroni motor sa rotorom od stalnog magneta (slika 16.7a). Promena ugaone brzine

takvog rotora odraava se na promenu amplitude i frekvencije izlaznog napona. Mana ovog

tahogeneratora je nelinearna statika karakteristika. Mnogo ede naizmenini tahogenerator pravi

se kao dvofazni asinhroni motor. Kratko spojeni rotor izrauje se u oblikuupljeg aluminijumskog

kaveza. Na statoru se pod uglom od 90o nalaze pobudni i generatorski namotaji. Pobudni namotaj

prikljuen je na naizmenini izvor frekvencije 50 ili 400 Hz, a sa generatorskog namotaja dobija se

izlazni napon proporcionalan ugaonoj brzini.Za jedan smer vrtnje izlazni signal je u fazi sa pobudnim

signalom, a za suprotni smer vrtnje faza se promeni za .Statika karakteristika Ui = f () ima najbolju

linearnost u poreenju sa ostalim tahogeneratorima.Prednost tahogeneratora je u jednostavnoj

konstrukciji i relativno visokoj tanosti. Nedostaci se odnose na direktnu vezu izmeu rotirajude

osovine i osovine tahogeneratora. Zbog habanja i netanog centriranja moe dodi do slabljenja i

pucanja veze.

Elektromagnetni (reluktantni) senzori ugaone brzine rade na principu promene otpornosti

magnetnog kola usled prolaska eleznih zubaca diska koji je montiran na rotirajudu osovinu. To su

5/21/2018 Mjerenja

18/27

indukcioni ili induktivni senzori, sa mnogobrojnim varijacijama u konstrukciji. Indukcioni senzori

ugaone brzine sastoje se iz dva dela. Prvi deo uvek je postavljen na osovinu. Izgraen je u obliku diska

od neferomagnetnog materijala po ijem se obodu nalaze pravilno rasporeeni inserti od eleza (slika

16.9a) ili u obliku zupanika od feromagnetnog materijala. U neposrednoj blizini rotirajudeg dela, na

rastojanju oko 0,5 mm, fiksiran je indukcioni detektor pomeraja. Primicanjem feromagnetnog inserta

na disku ili zupca na zupaniku smanjuje se magnetni otpor i, prema tome, raste magnetni fluks.Tako

nastaje vremenska promena magnetnog fluksa (t) (slika 16.9b), onosno inukuje se

elektromotorna sila e = / dt.Karakteristino je da su i amplituda i frekvencija izlaznog napona

proporcionalne ugaonoj brzini.U inenjerskoj praksi dosta se upotrebljava elektromagnetni senzor

transformatorskog tipa. Na primar se dovodi naizmenini napon napajanja visoke frekvencije, a na

sekundaru se dobija izlazni napon (slika 16.10a). Sa prolaskom eleznog inserta na rotirajudem disku

ili zupca na zupaniku, menjaju se otpor magnetnog kola i amplituda izlaznog napona.

Pijezoelektrini tahometarima izlazni signal ija frekvencija zavisi od merene ugaone brzine. Osnova

za gradnju pijezoelektrinog tahometra je bimorfni pijezoelement u obliku trake. Jedan kraj trake

upresovan je u dielektrini materijal a drugi kraj je slobodan. Na slobodnom kraju privrdena je

elezna ploica (slika 16.11a). Rotor je napravljen takoe u obliku trake od nemagnetnog materijala

na ijem je kraju stalni magnet. Prilikom obrtanja rotor periodiki dolazi ispod bimorfnog elementa,

tako da privlana sila izmeu magneta i elezne ploe izaziva njegovo savijanje. Zbog direktnog

pijezoelektrinog efekta nastaju impulsi naponskog signala na izlazu. Frekvencija ovih impulsa

proporcionalna je brzini vrtnje.

Optoelektronski enkoderspada u grupu senzora ugaone brzine sa impulsnim izlaznim signalom ija

je frekvencija multipl frekvencije obrtanja osovine.Optoelektronski pretvarabroja obrtaja u impulse

ima rotirajudi disk sa linijama, tj. prorezima ili reflektirajudim sektorima (slika 16.12). U prvom sluaju

izvor i prijemnik svetlosti su na suprotnim stranama diska, a u drugom sluaju su sa iste strane.

Prednost optoelektronskog tahometra u odnosu na elektromagnetne je u mogudnosti dobijanja

vedeg broja impulsa za jedan obrtaj i manjoj zavisnosti odumova.Merenje ugaone brzine na osnovu

broja impulsa u jedinici vremena, pri emu jedan impuls odgovara jednoj liniji, pogodno je za srednje

i velike brzine osovine.

Stroboskopski senzor ugaone brzineradi na principu stroboskopskog efekta, tj. na prividnom

zaustavljanju rotirajude osovine kada se ona osvetljava impulsima svetlosti ija je frekvencija jednaka

frekvenciji vrtnje osovine.Praktina procedura svodi se na to da se kontinualnim podeavanjem

frekvencije na stroboskopskoj bleskalici podesi najveda moguda frekvencija fs = fmax za koju se

uoava sinhronizam.

Magnetorezistivni senzorje, pored merenja linearne i ugaone pozicije, pogodan za merenje linearne

i ugaone brzine (slika 16.16a). [ema sa dva magnetorezistora omogudava i detekciju smera vrtnje.

Nailaskom zubaca od feromagnetnog materijala menja se magnetno polje u kojem se nalazi senzor,

tako da se na izlazu dobija odgovarajudi naponski impuls. Izvedba sa dva magnetorezistora na

rastojanju od 1/2irine zupca omogudavada se odredi smer kretanja.

Senzor na bazi Holovog efekta

Holov efekatnastaje kada se poluprovodnik kroz koji tee struja unese u magnetno polje. Akosepoluprovodnika ploica nalazi u fiksiranom poloaju okomito na magnetno poljeindukcije B i ako

5/21/2018 Mjerenja

19/27

kroz ploicu protie struja I (slika 16.17a), tada se u smerupopreno na tok struje javlja tzv. Holov

napon.Senzor ugaone brzine pravi se jednostavno pomodu ipa sa Holovimsenzorom i odgovarajudeg

stalnog magneta koji se pomera paralelno sa senzorom.Magneti su tada postavljeni po obodu

rotirajudeg diska. Moe se napraviti ikonstrukcija da su magnet i senzor u fiksnom poloaju, a disk da

ima feromagnetnezupce. Prolaskom zubaca dolazi do periodine promene magnetne indukcije B,

takoda se dobija sled impulsa sa frekvencijom proporcionalnoj merenoj ugaonoj brzini.

AKCELEROMETRI

Akcelerometar kontaktnog tipaje najprostiji jer samo signalizira da je trenutna vrednost ubrzanja

veda od neke odreene vrednosti, npr. maksimalno dozvoljene ad.Sve dok je ubrzanje manje ili

jenako o zaane vrenosti a a , metalna kuglica mase m nalee na kontakt i strujni krug se

zatvara samo kroz otpornik R1. Kada se akcelerometar krede sa linearnim ubrzanjem a > ad , kuglica

je odvojena od kontakta i strujni krug zatvara se kroz otpornike R1 i R2 , te instrument indicira

prekoraenje ubrzanja.

Inercioni senzor linearnog ubrzanjaradi na principu merenja sile inercije (Fin = ma) . Osnovni delovi

inercijalnog akcelerometra su kruto telo mase m[kg], koje je pomodu opruge krutosti c [N/m] i

priguivaa sa koeficijentom viskoznog trenja B[N/m/s] privrdeno za kudite .Telo mase m ima

ulogu primarnog osetilnog elementa i njegovo kretanje proporcionalno je ubrzanju. Kada je senzor na

objektu koji se krede pravolinijski pod delovanjem sile ma, na primarni element deluju sile suprotnog

smera: sila inercije, sila otpora trenja i sila opruge.Smer kretanja x mase m suprotan od smera

akceleracije.Diferencijalna jednaina (16.35) i prenosna funkcija (16.36) opisuju oscilatorni sistem

drugog reda. To znai da de inercijalni senzor dobro detektovati samo sporo promenljivo ubrzanje.

Inercijalni senzor ugaonog ubrzanja ima primarni element u obliku krutog tela momenta inercije I(slika 16.19b). Kada objekat rotira ugaonim ubrzanjem na primarnom elementu stvara se moment

inercije Min = I . Ovom momentu suprotstavlja se moment sile inercije , moment sile priguenja i

moment sile opruge I B . c . Balans naveenih momenata aje jenainu rotacionog kretanja

senzora.Iz date jednacine moguce je izracunati ugaono ubrzanje.

Senzor ubrzanja kompenzacionog tipa(servoakcelerometar).Glavne osobine ovakvog senzora su

kompenzacija momenta ili sile i prisustvo aktivnog korekcionog kola, iji su parametri ekvivalentni

mehanikom priguenju krutosti. Pomodu korekcionog kola mnogo je lake podeavanje potrebnih

vrednosti koeficijenta priguenja i vlastite frekvencije.

Poluprovodniki akcelerometarpravi se kao integrisana mikromehanika struktura (slika 16.21a).

Seizmika masa je oveena na posebno profilisanu.silicijumsku konzolu koja trpi deformaciju pod

delovanjem ubrzanja. Deformacija se detektuje pijezorezistorskim mostom. Veda osetljivost dobijena

je pomodu diferencijalnog kapacitivnog senzora kod kojeg srednji sloj ima ulogu seizmike mase.

Digitalni akcelerometar. Kombinovanjme poluprovodnikog akcelerometra sa elektronskim kolima

dobijeni su integrisani digitalni senzori kao monolitni ipovi.Izlaz digitalnog akcelerometra moe se

pretvoriti u analogni pomodu niskopropusnog RC-filtera, kome se vrednosti za R i C odreuju u

zavisnosti od frekventnog opsega akcelerometra.

SENZOR VIBRACIJA

5/21/2018 Mjerenja

20/27

Vibracije.U toku rada postrojenja, maina, mehanizama i instrumenata esto nastaju mehanike

oscilacije kao posledica velikih ubrzanja kod periodikog kretanja masa, udarnih delovanja

opteredenja, rotacionog kretanja osovina sa nepravilnim leitima i sl. Takve oscilacije sutetne za

rad ureaja.Vibracija sa velikom amplitudom i malim vremenom trajanja oznaava se kao udarna ili

ok-vibracija.

Parametri vibracija.Najede mereni parametri vibracija su frekvencija osnovne oscilacije (prvog

harmonika), frekvencija viih harmonika, te pomeraj, brzina i ubrzanje tela zbog vibracija.

Seizmiki senzor

Seizmiki senzor. Parametri vibracija ispitivanog objekta mere se pomodu pomeraja mase m u

odnosu na nepokretni koordinantni sistem (skala z na slici 16.23a). Ovaj metod je veoma

jednostavan. Njegov sutinski nedostatak jeto nije uvek mogude u blizini objekta nadi pogodnu

nepokretnu povrinu, na koju bi se postavila skala u jedinicama pomeraja. Slian problem javlja se i

kada je vibrirajudiobjekat mali. Zbog navedenih razloga vie se primenjuje merenje parametaravibracijapomodu pomeraja mase m u odnosu na relativni (vezani) koordinantni sistem (skala yna slici

(16.23a). Skala x oznaava pomeraj objekta u odnosu na nepokretni koordinatni sistem.Ako su

poetni uslovi nulti, izlaz senzora je proporcionalan pomeraju ispitivanog objekta, tj. y = x . Taa

senzor radi u reimu vibrometra.Merenje trenutne brzine kudita senzora, tj. brzine vibracije objekta,

najbolje se ostvaruje ako je krutost opruge mala ( 0) i ako je priguenje veliko.Za merenje

ubrzanja potrebno je da opruga ima veliki koeficijent krutosti kako bi se postiglato veda vlastita

frekvencija senzora. Osim toga, priguenje treb da jeto manje, jer seizmiki element treba da prati

oscilacije kudita, a da se pomera u odnosu na svoj ravnoteni poloaj samo u trenutku kada se

kudite krede sa ubrzanjem.

Pijezoelektrini akcelerometaru vibrometriji ima najvedu primenu u odnosu na ostale

akcelerometre. Razlog su izvanredne tehnike karakteristike.Za merenje parametara vibracija iznad

80 oC upotrebljavaju se visokotemperaturni pijezoelektrici. Nain i kvalitet fiksiranja

pijezoakcelerometra na merni objekat jako utie na tanost. Tipina izvedba sastoji se od

pijezokeramikog diska ili prstena pritisnutog seizmikom masom m i oprugom. Pri vibraciji kudita

promenljiva sila koja nastaje zbog kretanja seizmike mase deluje na pijezodiskove, pa se na njihovim

oblogama javlja elektrini naboj. Na taj nacin se odredjuje ubrzanje a integracijom se moze odrediti

brzina i pomak vibracija.

SENZORI SILE I MOMENTA

Principi gradnje: da bi se dobile optimalne tehnike karakteristike, prilikom gradnje trebapotovati: princip monolitnosti, princip integriranja, princip simetrije i princip optimalnih

konstruktivnih granica.

Princip monolitnostipodrazumeva da se merena sila unutar senzora prenosi samo pomodu jednog

elementa (slika 17.2). Ukoliko ima vie elemenata, na spojevima se javlja trenje, koje utie na tanost

senzora. Iz tehnikih razloga nije uvek mogude izbedi upotrebu vie elemenata za prenos sile.

5/21/2018 Mjerenja

21/27

Princip integriranjapodrazumeva da senzor mora imati osetljivi element sa nekom povrinom

poprenog preseka kako bi se izbegla pojava velikih mehanikih naprezanja na mestu delovanja sile.

Zato je senzor sile tanijito je osetilni element bolje rasporeen po povrini na koju deluje sila.

Princip simetrijepodrazumeva da su stanja senzora asimetrina kada je u pitanju delovanje merene

sile, a simetrina kada su u pitanju sva druga delovanja.

Princip optimalnih konstruktivnih razmera. Za svaku konkretnuemu konstrukcije postoje gornja i

donja granica nominalnih vrednosti sile. Nije celishodno prelaziti definisani opseg zatoto greke

merenja postaju tako vede, a moe dodi i do trajnog otedenja senzora.

Senzori teine

Senzori teine zasnivaju se na primeni jednaine gravitacije, odnosno metode balansa.

Fundamentalni instrumenti ovoga tipa su mehanike vage. Nepoznata sila (teina) uporeuje se sa

gravitacionom silom koju ima poznata masa m.Oitanje mase je direktno. Mogude je meriti masu u

opsegu 0, 001 g o 100 kg sa rezolucijom o 107 opsega. Povedanje tanosti ogranieno je tanodu

etalonske mase, varijacijom ubrzanja Zemljine tee i temperaturnom razlikom izmeu krajeva

krakova.Ravnotea se postie dodavanjem poznate mase (danska forma vage, slika 17.6b) ili

promenom duine kraka na kome je oveena poznata masa (rimska forma vage, slika 17.6c).

Akcelerometarski senzori sile. Merenje sile pomodu akceleracije a poznatemase m retko se

primenjuje, mada postoji veliki izbor akcelerometara. Razlog jetosila obino deluje na neko telo koje

nije slobodno, i ne moe da se krede, pa nemani ubrzanja. Senzori akceleracije primenjuju se u tehnici

vibracija za merenje dinamikih sila koje deluju na vibrirajude mase.

Elastini senzoriimaju mehaniki elastini element ija je deformacija, tj.promena duine,proporcionalna sili koja na njega deluje. Deformacija elementa opisujese diferencijalnom jednainom

drugog reda. Konstanta krutosti ovde se tretira kao koeficijent proporcionalnosti.Sila se meri u

opsegu 0 107 N, a tanost i opseg instrumenta zaviseod elastinog elementa i senzora koji

detektuje nastalu deformaciju.Elastini senzori sile najede se i nazivajuprema nainu merenja

deformacije: elektromagnetni (induktivni, transformatorski, saLVDT-pretvaraem), kapacitivni,

otporniki (sa ugljenim otpornikom, sa tenzoelementima,poluprovodniki sa p-n prelazom,

potenciometarski), magnetoelastini (aktivni,sa promenljivim permeabilitetom, anizotropski),

rezonantni (sa strunom), te kompenzacioni.

Magnetoelastini senzorirade na principu obrnutog magnetostrikcijskog efekta, koji predstavlja

promenu stanja magnetisanog materijala pod uticajem mehanikih naprezanja.Po nainu rada

razlikuju se aktivni, parametarski i anizotropski senzori.

Kod aktivnih magnetoelastinih senzora elastini element je stalni magnet sa navojima n. Mehaniko

naprezanje koje nastaje elovanjem merene sile F uzrokuje promenu magnetne inukcije.

Parametarski magnetoelastini senzori imaju konstantno magnetno polje, ali se magnetna

permeabilnost elastinog elementa menja zbog delovanja sile.

Kod anizotropskih magnetoelastinih senzora elastini element je napravljen tako da se slika

magnetnog polja pomera u prostoru pod delovanjem sile.

5/21/2018 Mjerenja

22/27

SENZORI MOMENTA

Dinamometarski metod merenja momentazasniva se na merenju pomodu sile reakcije u leajevima.

Snaga se prenosi od izvora do opteredenja pomodu osovine, zbog ega osovina trpi torziju (slika

17.10a). Snaga (moment) koja se prenosi od izvora do opteredenja moe se meriti na strani izvora ili

na strani opteredenja, a moment se rauna kao proizvod sile F i rastojanja L.

Merenje momenta pomou torzionog naprezanja. Torziono naprezanje osovine proporcionalno je

momentu, odnosno: M = I , (17.22) ge je I = r3/ 2 moment inercije osovine poluprenika r. Za

merenje torzionog naprezanja primenjuju se tenzoelementi. Elementi se postavljaju u pravcu

najvedeg naprezanja, tj. pod uglom od 45o u odnosu na osu osovine.Potrebna su etiri

tenzoelementa, koji formiraju puni most. Na taj nain postie se najveda osetljivost, te najbolja

temperaturna kompenzacija i eliminacija uticaja progiba na tanost merenja. Tipina tanost ovakvih

tenziometara je 12%.

Beskontaktni senzorimomenta grade se na principu merenja torzionog naprezanja uz pomodtenzootpornikih elemenata (slika 17.12a). Induktivni pretvarau obliku obrtnog transformatora slui

za beskontaktno napajanje mosta. Sekundar transformatora spojen je na most preko ispravljaa.

Proporcionalno merenom momentu na mernoj ijagonali mosta obija se istosmerni napon Um ,

koji je prikljuen na pretvaranapona u frekvenciju f.Na izlazu pretvaraca generie se niz etvrtki, ija

frekvencija iznosi 5 15 kHz i proporcionalna je naponu mosta Um , onosno merenom momentu.

Digitalni senzori momentasu beskontaktnog tipa. Fizikalni princip gradnje ovih senzora je

proporcionalnost ugaonog uvrtanja osovine (torzionog ugla) sa momentom koji se prenosi. Osetilni

element je kalibrisana torziona osovina. Ona je jednim krajem prikljuena na stranu motora, a drugim

na potroa. Na mestima prikljuenja postavljeni su zupanici A i B (slika 17.13a). Delovanjemmomenta dolazi do uvrtanja osovine i razlike u poloaju zupanika za iznos torzionog ugla. Pomeranje

zubaca detektuje se elektromagnetnim ili optikim senzorima ugaone brzine.Pomodu detektora nule

valni oblici napona UA i UB pretvaraju se u sled pravougaonih impulsa (slika 17.13c). Logiko kolo

prima ova dva signala i na svome izlazu daje novi sled impulsa sa frekvencijom proporcionalnoj razlici

faza, odnosno merenom momentu.

SENZORI PRITISKA

Elektromagnetni senzori pritiskaDetekcija deformacije primarnog elementa ovih senzora ostvaruje

se pomodu elektromagnetnih senzora pomeraja. Najvie se primenjuje induktivni detektor sa

relativnim pomerajem jezgra i jednim navojem.Induktivni senzor diferencijalnog pritiska pravi se sa

dva identina navoja, izmeu kojih se pomera metalna membrana, ime se menja otpor magnetnog

kola.Na slici 18.5c prikazana je varijanta sa linearnim varijabilnim diferencijalnim transformatorom.

Kapacitivni senzori pritiska

Sutina rada ovih senzora je da se metalna membrana upotrebljava kao pokretna elektroda

kondenzatora. Ovo su najbolji senzori za male opsege od 100 Pa , ali se mere i veliki pritisci do 108

Pa.Na slici 18.6a prikazana je principijelna realizacija kapacitivnog senzora apsolutnog pritiska: sa

jedne strane membrane je prikljuak za mereni pritisak, a sa druge strane je izolovana komora sa

5/21/2018 Mjerenja

23/27

referentnim vakuumom. Na slici 18.6b je senzor diferencijalnog pritiska koji ima po jedan prikljuak

na svakoj strani membrane.

Potenciometarski senzor pritiska

Osnovne prednosti ovih senzora su: visoka vrednost izlaza (0-100% napona napajanja), za prenos nadaljinu nije potrebno pojaavanje ili impedantno prilagoavanje izlaza, pristupana cena,

jednostavnost ugradnje, te mogudnost istosmernog i naizmeninog napajanja. Loe osobine su: velike

dimenzije, pojavauma zbog habanja, sila za pomeranje klizaa potenciometra relativno velika zbog

trenja i mala frekventna propusnost.

Pijezoelektrini senzori pritiska

Kod jednostavnijih pijezoelektribih senzora pritiska sila preko deformacionog elementa deluje na

pijezoelektrik, na kome se javlja elektrini naboj (slika 18.8a). Pomodu pojaavaa naboja dobija se

izlazni signal, proporcionalan merenom pritisku. Sloenije konstrukcije imaju pijezoelektrik u formi

mehanikog oscilatora, ija se rezonantna frekvencija menja u skladu sa merenom silom, odnosno

pritiskom. Jedan od mogudih oblika rezonatora prikazan je na slici 18.8b.Bitan zahtev je da

oscilirajuda gredica bude napravljena od jedinstvenog komada pijezoelektrika i da izolirajudom

masom bude odvojena od kudita.

Optoelektronski senzori pritiska

Deformacijom elastinog elementa modulie se intenzitet svetla koje pada na fotoprijemnik.

Najee je IRLED-dioda izvor svetlosti a PIN fotodioda ili fotopotenciometar prijemnik. Osnovne

prednosti ovih senzora su jednostavnost, visok izlaz, te mogudnost statikih i dinamikih merenja.

Nedostaci su: ogranien temperaturni opseg, nestabilnost statike karakteristike sa starenjem,

mogudnost pradenja samo velikih deformacija i mala frekventna propusnost.

Senzori sa strunom imaju zategnutu volframovu icu koja je jednim krajem privrdena za

deformacioni element, a drugim krajem za kudite. Senzor se pravi tako da porast pritiska dovodi do

smanjenja zategnutosti ice, odnosno do smanjenja rezonantne frekvencije oscilovanja ice, kaoto

se vidi iz jednaine (15.18). Na slici 18.10a prikazana je konstrukcija sa elektromagnetom za

pobuivanje oscilacija i elektrodinamikim indukcionim senzorom za detekciju oscilacija.

Senzori sa kompenzacijom sile

proizvode silu povratne sprege, kojom vradaju deformacioni element u poloaj koji je zauzimao pre

negoto je poela da deluje merena sila (pritisak).Ovakvi senzori pritiska ponekad se nazivaju

servomanometri.Tipina izvedba sastoji se od deformacionog elementa na koji je privrdena

metalnaipka (slika 18.10b). Pomeranjeipke detektuje se LVDT-senzorom. Kada je pritisak jednak

zadatom,izlazni signal podesi se na nulu.Pored dobre stabilnosti, prednosti ovih senzora su: visok

izlazni signal, velika tanost, visoka rezolucija, te mogudnost merenja statikih i dinamikih pritisaka.

Nedostaci su velika osetljivost na ubrzanje i mehanike udare, sloenost izrade i veda cena.

TENZOMETARSKI SENZORI PRITISKA

Tenzoelement (tenzometar, tenzootpornik, rastezna traka, merna traka, strain gage) je pasivni

otporniki senzor mehanike deformacije. Njegov rad se zasniva na injenici da se otpor elektrinog

5/21/2018 Mjerenja

24/27

provodnika menja kada je taj provodnik izloen elastinoj deformaciji.Tenzoelementi primenjuju u

gradnji senzora: pritiska, sile, momenta, ubrzanja, vibracije, nivoa i dr.

Prema nainu izrade, razlikuju se etiri tipa tenzoelementa:

1) Slobodna ili nezalepljena ica (unbonded wire) koja je upeta na krajevima na odgovarajudemskeletu. Za izradu se uzima ica od konstantana ebljine 0,0250,02mm i uine 24 cm. Sa

pomeranjem pominog dela skeleta dolazi do istezanja ili sabijanja ice (slika 18.11a). Proporcionalno

nastaloj deformaciji menja se otpor ice,to se moe detektovati odgovarajudim Vitstonovim

mostom.

2) Metalni ili poluprovodniki meandar u obliku folije, koja je itavom duinom zalepljena na

deformacionu povrinu (bonded wire/foil). Ovaj tip tenzoelementa najvie je zastupljen u tehnici

senzora (slika 18.11b).

3) Tankoslojni metalni otpornik (thin film) trajno deponovan na deformacionoj povrini

4) Poluprovodniki otpornik unesen difuzionim postupkom u deformacioni element od silicijuma.

Takav tenzoelement naziva se pijezorezistivni

senzor.

Tri faktora su bitna za tanost merenja: priprema deformacione povrine za lepljenje folije

(mehaniko idenje,odstranjivanje neistode, hrapavljenje u zavisnosti od veliine

deformacije,hemijska neutralizacija kako bi se spreio uticaj na hemijski sastav lepila)izbor lepila

(lepilo treba da ima mehanike i termike osobineto slinijematerijalu ija se deformacija meri, jer

samo takvo lepilo prenosi deformacijusa merne povrine na foliju bez smanjivanja, tj.puzanja)kvalitet podloge (materijal podloge treba da ispuni iste zahteve u pogledumehanikih

osobina kao i lepilo, te da je dobar izolator).

Principi rada tenzoelementa

Princip rada tenzometara ogleda se u promjeni otpornosti do koje dolazi promjenom duzine l

poprecnog presjeka S ili specificne otpornosti usljedn naprezanja.

Faktor osetljivosti

K je ukupna deformaciona osetljivost tenzoelementa na deformaciju ili faktor osetljivosti. To jebezdimenzionalna veliina jer predstavlja odnos relativne promene otpora i relativne deformacije

Drift nule i drift osetljivostiU realnim merenjima naroito je jak uticaj temperature, pa se u

tenzoelementu javljaju dodatne deformacije. Pod uticajem temperature menja se otpor i dolazi do

ekspanzije tenzoelementa. U sluaju promene otpora temperaturna greka manifestuje se kao drift

nule, a ekspanzija tenzoelementa manifestuje se kao rift osetljivosti.Vrenost RKR T je

temperaturni drift nule, koji je mogude kompenzovati serijskim ili paralelnim prikljuivanjem

temperaturno osetljivog otpornika Rk .Kompeunzacija drifta osjetljivosti vrsi se podesavanjem

temparaturnog koeficjenta otpornosti.to se naziva samokompenzacija i idealna samokompenzacija

vrsi se samo na referentnoj temparaturi.

5/21/2018 Mjerenja

25/27

Tehnika temperaturne kompenzacijepomodu pasivnog tenzoelementa. Promena otpora

tenzoelementa detektuje se Vitstonovim mostom, koji se moe efikasno aranirati i za temperaturnu

kompenzaciju. U jednoj grani mosta je merni (aktivni) tenzoelement i na njega deluju naprezanja i

temperatura. U susednoj grani mosta je kompenzacioni (pasivni, slepi) tenzoelement, koji treba da

ispunjava slededa tri uslova:

da je istih karakteristika kao i merni tenzoelement, tj. da je iz istog pakovanja;

da je zalepljen na podlogu od istog materijala od kojeg je napravljen deformacioni element;

da je zalepljen na mestu bez naprezanja, ali na kome je ista temperatura kao i na deformacionom

elementu

Merni mostovi sa tenzoelementima

Za detekciju tenzootpora upotrebljava se nebalansirani Vitstonov most. Izlazni napon mosta

proporcionalan je merenoj deformaciji. Tri su osnovne konfiguracije Vitstonovog mosta sa

tenzootpornicima: etvrtinski most, polumost i puni most.

etvrtinski most ima tenzoelement samo u jednoj grani mosta (slika 18.17a). Ovaj aranman

primenjuje se kod jednoosnog istezanja ili sabijanja.

Polumost se moe formirati na vie naina, a jedan je prikazan na slici 18.17b. Ovaj aranman sastoji

se od dva tenzootpornika sa jednakim naprezanjima po iznosu i predznaku.

Puni most ima u sve etiri grane aktivni senzor (slika 18.17c). Senzori su upareni i postavljeni na

mestima sa jednakim naprezanjima po iznosu, a suprotnim po predznaku.

Gradnja senzora pritiska sa tenzootpornicima

Senzori pritiska na bazi tenzootpornika najede se prave sa membranom kao deformacionim

elementom, te dva ili etiri tenzootpornika, koji ine polumost ili puni most. Za polumosno spajanje

potrebna su dva dodatna fiksna otpornika radi kompletiranja mosta. Membrana sa tenzootpornicima

i kompenzacionim otpornicima smetena je u cilindrinom kuditu, kojetiti senzor od

temperaturnih, hemijskih, mehanikih i drugih uticaja okoline (slika 18.20). Razlikuju se konstrukcije

za merenje apsolutnog pritiska, diferencijalnog pritiska i relativnog pritiska.Izlazni napon mosneeme

proporcionalan je naponu napajanja U i merenom pritisku p. Odstupanja od linearnosti najvedim

delom nastaju zbog nesavrenosti membrane i mehanikih prenosnika sile, zatim zbog puzanja lepila i

delovanja temperature, te zbog nepravilno odabranih mesta na kojima su zalepljeni tenzoelementi.

POLUPROVODNICKI SENZORI PRITISKA

Poluprovodnicke merne trake i pijezorezistivni senzoriPoluprovodnike merne trake prave se na

bazi poluprovodnikih otpornika, u obliku folije ili tankog filma, koji se lepe ili naparivanjem nanose

na metalnu membranu. Ovakvi tenzootpornici imaju izrazito nelinearnu promenu otpora sa

deformacijom. Na osnovu ovih traka prave sesenzori pritiska.

SENZORI NIVOA

5/21/2018 Mjerenja

26/27

Nivo predstavlja graninu povrinu izmeu dve sredine razliite gustine u odnosu na neku

horizontalnu povrinu uzetu kao referentnu.

Senzori na principu plovka

Plovak je loptastog oblika.Plovak je smeten uza zid rezervoara ili u posebnoj komori sa vanjskestrane rezervoara.Pliva na povrini tenosti iji se nivo meri. Mehanikom vezom poloaj plovka

prenosi se na kazaljku ili senzor ugaonog pomeraja. Za vede opsege na plovak se privezuje

protuteg.Sa porastom nivoa tenosti u rezervoaru na plovak deluje dodatna sila uzgona, pa se

protuteg krede nanie sve dok se ponovo uspostavi ravnoteno stanje, definisano uronjenodu plovka

na dubinu h1. Ova dubina odreuje ujedno i minimalnu vrednost merenog nivoa.

Plovak sa trakom. Za merenje nivoa nafte i naftnih derivata primenjuje se nivometar sa plovkom, koji

je perforiranom metalnom trakom privrden za oprugu umesto protutega (slika 19.2.c). Vertikalne

voice spreavaju bono kretanje plovka. Minimalni merni opseg je 0 12m, a rezolucija je o 1mm.

Senzori sa ronilom

Senzori sa ronilom rade na principu sile uzgona, tj. Arhimedovog zakona. Ronilo je obinotap

cilindrinog oblika i na gornjem kraju privrdeno je za senzor sile. Napravljeno je od materijala

gustine , koja je veda negoto je gustina tenosti t , ima uinu L priblino jednaku mernom

opsegu.

Negativni predznak koeficijenta k2 ukazuje da prilikom porasta nivoa dolazi do smanjivanja

detektovane sile F i obrnuto.

Hidrostatski senzori

Postoje tri tipa hidrostatskih senzora. Prvi tip realizuje se kao senzor relativnog pritiska koji meri

pritisak stuba tenosti na dnu rezervoara (slika 19.4a). Drugi tip se pravi kao senzor diferencijalnog

pritiska,to je pogodno za zatvorene rezervoare kod kojih se iznad tene faze nalazi gasna faza pod

pritiskom (slika 19.4b). Kod tredeg tipa hidrostatikog senzora ubacuje se vazduh pod pritiskom. Kada

se pritisak vazduha izjednai sa hidrostatikim pritiskom, na dnu rezervoara izlaze mehuridi. Viak

vazduha odlazi u okolinu, a vazduh u povratnom impulsnom vodu ima pritisak proporcionalan

merenom nivou.

Elektrini senzori

Kapacitivni senzori nivoa prave se kao ploasti ili cilindrini kondenzatori, izmeu kojih se nalazi

tenost iji se nivo meri. Tenost moe biti provodna ili neprovodna.

Metalne elektrode kapacitivne sonde fiksirane su pomodu zaptivaa od izolatorskog materijala i

potopljene u tenost do visine h, a ostatak prostora izmeu elektroda H-h ispunjen je gasnom fazom

Za neprovodne tenosti, kaoto su nafta i njeni derivati, otpor R izmeu elektroda je beskonaan, pa

je ekvivalentni kapacitet:

Ce = C1 + C2 + C3 ,

5/21/2018 Mjerenja

27/27

gde su: C1 kapacitet izmeu elektroda na segmentu gde je izmeu njih izolator zatvaraa, C3

kapacitet izmeu elektroda u tenoj fazi i C2 kapacitet u gasnoj fazi.Na kraju se dobija da je ukupni

kapacitet proporcionalan nivou h.

Za merenje nivoa provodnih tenostiunutranja elektroda presvuena je slojem kvalitetnog vrstog

izolacionog materijala, obino plastikom ili teflonom (slika 19.5b). Zbog izolacije otpor tenosti nema

uticaja na merenje i takva sonda primenljiva je za provodne i za neprovodne tenosti.

Otporniki senzori nivoa.

To su jednostavni i relativno jeftini senzori.Dvije elektrode postave se u tecnos i mjeri se otpor

materijala izmedju njih te on zavisi od visine nivoa h.

Ultrazvuni senzori nivoa

Odbijanje zvunih, ultrazvunih i mikrotalasnih zraenja od razdelne povrine izmeu dva fluida

efikasno se primenjuje u tehnici merenja nivoa (slika 19.12a). Ovaj nain poznat je kao princip sonara:emitovani talas putuje do povrine od koje se odbija kao eho signal, a nivo je proporcionalan

ukupnom vremenu T za koje talas pree od izvora do prijemnika zraenja.Ultrazvunim senzorom

mogude je meriti i udaljenost razdelne povrine izmeu dva fluida.

Signalizatori diskretnih vrednosti nivoa

Detekcija diskretnih vrednosti nivoa ima veliki znaaj u procesnoj tehnici. Signalizatori diskretnih

vrednosti su u sutini prekidai koji detektuju minimalni ili maksimalni nivo u rezervoaru. Sa vie

signalizatora u nizu povedava se rezolucija, a izlazni signal tada moe biti kodiran.Najjednostavnija

izvedba za provodne tenosti je u obliku kontaktnog otpornika. Prisutnost provodne tenosti svodiotpor izmeu kontakata na nulu, a kada nivo tenosti opadne ispod signalizatora, otpor izmeu

kontakata postaje beskonaan (slika 19.14a). Za neprovodne tenosti upotrebljavaju se ploasti

kondenzatori umestoprekidaa (slika 19.14b). Disipacija toplote sa otpornika kroz koji tee struja je 4

5 puta veda u tenosti nego u vazduhu, pa je njegova temperatura tada manja. Promenom

otpornosti dolazi do razbalansiranja Vitstonovog mosta (slika 19.14c).Optoelektronski signalizatori su

beskontaktni i pogodni su za signalizacijunivoa zapaljivih i eksplozivnih tenosti. Optoelektronski

signalizatori sastoje se od optike prizme i optoelektronskog para LED-diode i fotodiode. Prizma je

obraena tako da se zrak iz LED-diode u potpunosti reflektuje do fotodiode kada je prizma u

vazduhu. Ako je prizma potopljena u tenost, svetlost iz LED-diode prelama se i rasipa u tenost,

samo mali deo dolazi do fotodiode (slika 19.14d). Ultrazvuni signalizatori pogodni su i za provodne i

neprovodne tenosti.

Zvuni otpor izmeu predajnika i prijemnika zvuka u vazduhu je vedi nego utenosti, pa je vreme

preleta krade.Za detekciju kritinih vrednosti nivoa esto se primenjuju magnetni senzori na bazi rid-

releja.Kapsula je fiksirana na definisanom nivou. Kada prstenasti plovak sa stalnim magnetom

dostigne taj nivo, elastini kontakti releja se magnetiu i privlae.