Mérés nyúlásmérő bélyegekkel, adatgyűjtés Spider 8 CATMAN rendszerrel Mérésadatgyűjtés és Jelfeldolgozás 6. ELŐADÁS Schiffer Ádám Egyetemi adjunktus
MEGNYÚLÁS definíció és mérési módszerek 2009.10.30. PTE PMMK MIT 2
Nyúlásmérő bélyegek (SG-Strain Gauges) mérés alapjai Nyúlás: mértékegysége: mm/m vagy um/m 2009.10.30. PTE PMMK MIT 3
Az első SG (Ruge, 1938) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 4
SG nyúlásmérés alapja 2009.10.30. PTE PMMK MIT 5
SG nyúlásmérés alapja 2009.10.30. PTE PMMK MIT 6
SG nyúlásmérés alapja Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ! 2009.10.30. PTE PMMK MIT 7
Rugalmas anyagok HOOKE törvény: Rugalmas anyagok esetén (ha ezt kisméretű rugónak fogjuk fel) ennek megnyúlása (fajlagos megnyúlása) egyenesen arányos a benne ébredő σ mechanikai feszültséggel és fordítottan arányos az E rugalmassági modulussal: σ=e ε 2009.10.30. PTE PMMK MIT 8
Rugalmas anyagok mechanikai erő maradandó alakvátozás szakadás rugalmasság határa Rugalas szakasz, Hooke törvény érvényesül megnyúlás 2009.10.30. PTE PMMK MIT 9
SG Alkalmazási területek Méréstartomány: Hőmérséklettartomány: Bizonytalanság: 1-3% 2009.10.30. PTE PMMK MIT 10
SG Geometriák 2009.10.30. PTE PMMK MIT 11
Wheatstone hídkapcsolás Az egyenáramú Wheatstone hidat ellenállás értékek viszonylag pontos meghatározására használjuk. A működés lényegét az jelenti, hogy alap (kiegyenlített) állapotban a híd két kimenő kapcsa közötti feszültség zérus. a híd egyik ágába elmozdulás érzékelőt építünk be, a többi impedanciát úgy választjuk meg, hogy a híd kiegyenlített legyen. Amint az érzékelő elmozdulást észlel, arra impedanciájának változtatásával reagál, következésképpen a híd kimeneten feszültségkülönbség jelenik meg. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 12
Nyúlásmérő bélyegek felhelyezése Általános eljárások: ragasztás forrasztással (ritka) Bélyegek hozzá kell erősíteni a mérendő anyaghoz, úgy hogy az semmilyen módon ne változzon meg Különféle speciális ragasztókkal (alkalmazásokhoz megfelelően) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 13
ERŐMÉRÉS alapok, észrevételek 2009.10.30. PTE PMMK MIT 14
Erő számítása F erő (N) m tömeg (kg) a gyorsulás (m/s 2 ) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 15
Erő mennyiségi mérése Nyúlásmérő bélyegekkel (SG) ekkor az ellenállás változik a terhelés hatására Piezo kristállyal Töltés mennyisége változik a terhelés hatására 2009.10.30. PTE PMMK MIT 16
Erőmérés alapelvek 2009.10.30. PTE PMMK MIT 17
Erőmérés alapelvek Az ellenállás-változás főként a geometriai összetevőtől függ! R vezeték ellenállása ε nyúlás k bélyeg érzékenységi faktora 2009.10.30. PTE PMMK MIT 18
Erő mérése Dupla mérlegkaros Cilinder F erő 2009.10.30. PTE PMMK MIT 19
Erő mérése Diafragma F erő 2009.10.30. PTE PMMK MIT 20
Sajátfrekvencia - rezgéstípusok Rezgéstípusok: Szabad rezgés alakul ki, ha egy mechanikai rendszert kezdeti állapotba húzzuk fel, majd engedjük, hogy szabadon rezegjen. Ennek példája lehet az, ha egy gyereket meglendítünk a hintán, majd magára hagyjuk, vagy megütünk egy hangvillát és hagyjuk zengeni. A mechanikai rendszer ekkor rezgéseket fog végezni egy vagy több sajátfrekvenciájával, majd a rezgés csillapodik és megáll 2009.10.30. PTE PMMK MIT 21
Sajátfrekvencia - rezgéstípusok Gerjesztett rezgés során a mechanikai rendszerre alternáló erő vagy mozgás hat. Példa erre egy rosszul kiegyensúlyozott mosógép rázkódása, a közlekedés okozta rezgés (melyet elhaladó teherautó okoz) vagy egy épület rezgése földrengés folyamán. A gerjesztett rezgés során a rezgés frekvenciája a gerjesztés frekvenciájától függ, de erőssége szoros összefüggésben van a mechanikai rendszer jellemzőivel. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 22
Rezgésvizsgálat A rezgésvizsgálat alapjait egy egyszerű tömeg-rugó modell, úgynevezett egytömegű lengőrendszer viselkedésén lehet megérteni. Valóban, egy olyan összetett szerkezet viselkedését, mint amilyen egy gépkocsi, egyszerű tömeg-rugó-csillapítás modellek összerakásával lehet modellezni. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 23
Csillapítatlan szabad rezgés Először egyszerűsége miatt vizsgáljuk meg az egy tömeg egy rugó rendszert abban az esetben, ha minden csillapítást elhanyagolunk és nincs külső erő, amely hatna a rendszerre (vagyis a rendszer szabad rezgést végez). A tömegre ható rugóerő arányos az x kitéréssel (feltételezzük, hogy nyugalmi állapotban a rugót a tömeg súlya már előfeszítette). Az arányossági együttható, k a rugómerevség, egysége erő/elmozdulás (N/m): F s = -kx 2009.10.30. PTE PMMK MIT 24
Csillapítatlan szabad rezgés mérése 2009.10.30. PTE PMMK MIT 25
Impulzus erő mérése 2009.10.30. PTE PMMK MIT 26
Impulzus erő mérése 2009.10.30. PTE PMMK MIT 27
Mérőkábelek hatása a mérésre 2009.10.30. PTE PMMK MIT 28
Wheatstone hídmérés jellemzői Hőmérséklet függés 2009.10.30. PTE PMMK MIT 29
Mérőkábel befolyása a hídmérésre PÉLDA réz kábel, 50m hosszú, 0.14mm 2 átmérő Az kábel ellenállása kalibrált Az ellenállás változása 47 mω/k így 20 K hőmérsékleten 0.94Ω Az U b =5V feszültéség 4.986 V-ra változik A relatív hiba h=0.28% 2009.10.30. PTE PMMK MIT 30
Mérőkábel befolyása a hídmérésre 2009.10.30. PTE PMMK MIT 31
Hőmérsékletkompenzáció 2009.10.30. PTE PMMK MIT 32
Hőmérsékletkompenzáció Fontos! : a mérési alkalmazásra a hőmérséklet függés nem szabad, hogy hatással legyen! Feltételezzük (biztosítjuk) : homogén hőmérséklet eloszlás + konstans hőmérséklet (pl. klíma) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 33
Hőmérsékletkompenzáció Csavarodás mérése (SG teljes híd) A mért nyúlások lineárisak a csavarodással 2009.10.30. PTE PMMK MIT 34
Hőmérsékletkompenzáció A bélyegek (SG) hőmérséklet függőek 2009.10.30. PTE PMMK MIT 35
Hőmérsékletkompenzáció nyúlás hőmérséklet függő megnyúlás mechanikai megnyúlás hőmérséklet 2009.10.30. PTE PMMK MIT 36
Hőmérsékletkompenzáció 2009.10.30. PTE PMMK MIT 37
Hőmérsékletkompenzáció ½ híd: a hőmérséklet függés csak számítható, nem mérhető ¼ híd: hőmérséklet kompenzálható, HA: két u.o. bélyeg van mindkettőn u.a. a hőmérséklet teljes híd: kompenzálható 2009.10.30. PTE PMMK MIT 38
2009.10.30. PTE PMMK MIT 39
Anyagok hőmérséklet függése (α) vasacél: α=10.8 10-6 /K alumínium: α=23 10-6 /K ausztenites acél α=16 10-6 /K kvarc: α=0.5 10-6 /K titán: α=9 10-6 /K műanyag: α=65 10-6 /K molibdén: α=5.4 10-6 /K 2009.10.30. PTE PMMK MIT 40
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz 2009.10.30. PTE PMMK MIT 41
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Két eres negyedhíd bekötésének előnyei: egyszerű kis költség 2009.10.30. PTE PMMK MIT 42
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa1: mérőkábel ellenállásának hatása SG, két eres ¼ híd, R=0.216Ω 10m vezeték R = 120Ω,k=2.03 zero offset, 10m kábel esetén 2009.10.30. PTE PMMK MIT 43
Nyúlásmérő bélyeg csatlakoztatása ¼ hídhoz Példa2: hőmérséklet függés SG, két eres ¼ híd,hőm. vált = 10K erenként 0.5Ω ellenállás hőm. együttható(α)=0.0039k -1 10K hőm. növekedés esetén a látszólagos nyúlás értéke 2009.10.30. PTE PMMK MIT 44
Gyorsulásmérés 2009.10.30. PTE PMMK MIT 45
A gyakorlatban a piezoelektromos gyorsulásérzékelőt használják. Ez az érzékelő nem igényel tápfeszültséget, nem tartalmaz mozgó alkatrészt. A gyorsulással arányos kimenőjel integrálásával a sebesség és elmozdulás jelek is megkaphatók. Az érzékelő lelke egy kerámiakristály, amelynek pólusai között nyomás, húzás vagy nyírás igénybevételre a ható erővel arányos elektromos töltés keletkezik. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 46
Az érzékelő rögzítése a mérendő tárgyhoz történhet: ragasztással, csavarkötéssel, állandó mágnessel. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 47
2009.10.30. PTE PMMK MIT 48
Digitalizálás 2009.10.30. PTE PMMK MIT 49
A/D átalakítás folyamata jelátalakító erősítő A/D átalakító megjelenítés, PC 2009.10.30. PTE PMMK MIT 50
A/D átalakítás folyamata jelátalakító erősítő A/D átalakító megjelenítés, PC 2009.10.30. PTE PMMK MIT 51
Méréshatár 2009.10.30. PTE PMMK MIT 52
Felbontás TESZTMÉRÉS ELŐTT TESZTMÉRÉS UTÁN Spider8 16 bit = 65 536 digit-> ±25 000 digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 10 V Ue = 10/25000 = 400 µv Spider8 16 bit = 65 536 digit-> ±25 000 digit+túlcsorduális tartomány (overflow) méréshatár = ± 7.5 mv Ue = 7.5/25000 = 300 ηv 2009.10.30. PTE PMMK MIT 53
Spider-8, Spider 8-30 2009.10.30. PTE PMMK MIT 54
Mit az a Spider 8 (Spider 8-30) A Spider 8 egy elektromos mérőrendszer PCk számára kifejlesztve, olyan jelek mérésére mint nyúlás, erő, nyomás, gyorsulás, hőmérséklet. Magába foglalja az erősítő, A/D, PC interface, csatlakozó egységeket. Nyomtató porton keresztül kommunikál 2009.10.30. PTE PMMK MIT 55
Spider 8 tulajdonságai Spider 8: 4 digitális erősítő 4.8 khz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Spider 8-30 : 4 digitális erősítő 600 Hz vívőfrekvenciával, passzív belső bélyegekkel (félhíd mérése) Minden csatorna külön A/D konvertert tartalmaz Minden csatorna A/D konvertere szinkronizált 2009.10.30. PTE PMMK MIT 56
Spider 8 tulajdonságai Az első két csatorna impulzusszámlálóként is funkcionál mérhető jelek: Hőmérséklet (ellen-álláshőmérő J,K,T,S, Pt100/Pt1000) feszültség 10V-ig áramjel 200 ma-ig ellenállás 4000Ω -ig 2009.10.30. PTE PMMK MIT 57
Spider 8 adatlap Tulajdonságok: folyamatos adatgyűjtés nagy mintavételezési frekvencia, 16 bites felbontás digitális szűrés kalibrált bemenetek könnyű használat 64 csatorna maximum (kaszkád) hőmérséklet kompenzáció (Spider 8-30) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 58
Spider-8 diagram 2009.10.30. PTE PMMK MIT 59
Spider specifikációk 1. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 60
Spider specifikációk 2. 2009.10.30. PTE PMMK MIT 61
Spider 8 Wheatstone híd csatlakoztatás teljes híd csatlakoztatása 4 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges 2009.10.30. PTE PMMK MIT 62
Spider 8 Wheatstone félhíd csatlakoztatás teljes híd csatlakoztatása 2 külső bélyeggel tápfeszültség szükséges 2009.10.30. PTE PMMK MIT 63
Spider 8 hőmérséklet kompenzálása (külső) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 64
Spider 8-30 hőmérséklet kompenzálása (belső) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 65
Ellenálláshőmérő csatlakoztatása 2009.10.30. PTE PMMK MIT 66
Spider csatlakoztatása PC-hez 2009.10.30. PTE PMMK MIT 67
Spieder kaszkád kapcsolása 2009.10.30. PTE PMMK MIT 68
Spider szofvere 2009.10.30. PTE PMMK MIT 69
Spider-8 gyakorlat 2009.10.30. PTE PMMK MIT 70
Spider-8 gyakorlat 2009.10.30. PTE PMMK MIT 71
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés előkészítése - Felbélyegzés - Terhelés (mechanikai rezgő rendszer sajátfrekvenciája geometria- és terhelésfüggő) - Nyugalmi állapot biztosítása a nullponti helyzet tárázásához -Gerjesztőjel generálása 2009.10.30. PTE PMMK MIT 72
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérőrendszer beállítása -mérőeszköz típusa - és a csatlakozás (interfész) megadása - I/O csatornák definiálása - érzékelő karakterisztika kiválasztása - távadó szűrőbeállítása, tárázás 2009.10.30. PTE PMMK MIT 73
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérés futtatása, adatrögzítés - mintaszám vagy időtartam (adat puffer mérete!) - mintavételi frekvencia - megjelenítés grafikonja (pl: y(t) diagram) - mentés (csatornák, formátum pl: ASCII állomány TAB szeparátorkarakterrel) 2009.10.30. PTE PMMK MIT 74
Mérés folyamata és a mért adatok feldolgozása Mérési adatok feldolgozása - ábrázolás, számítások, frekvenciatartomány energiaspektruma... 2009.10.30. PTE PMMK MIT 75
Példa mérés és kiértékelése 1. nyugalmi állapot tranziens mérendő tartomány 2009.10.30. PTE PMMK MIT 76
Példa mérés és kiértékelése 2. y(t) t 58.320 2.038 62.640 2.040 64.800 2.043 66.960 2.045 61.440 2.048 53.280 2.050 45.360 2.053 30.960 2.055 11.280 2.058-6.240 2.060-22.080 2.063-39.840 2.065-56.880 2.068-69.360 2.070-80.880 2.073-90.000 2.075-93.120 2.078-92.640 2.080-91.200 2.083-83.040 2.085-71.040 2.088-59.520 2.090-44.160 2.093-25.200 2.095-8.400 2.098 7.680 2.100 26.160 2.103 41.040 2.105 51.360 2.108 60.720 2.110 66.720 2.113 66.720 2.115 64.560 2.118 59.520 2.120 48.000 2.123 35.760 2.125? 2009.10.30. PTE PMMK MIT 77
Példa mérés és kiértékelése 3. f saját H = 1 = T f minta T h(%) = T saját minta saját 100 # y(t) t T 1. 66,960 2,045 0,070 átlagos periódusidő(tsaját) 0,07167 2. 66,720 2,115 0,070 mintavételi frekvencia: 0,00500 3. 66,720 2,185 0,075 fsaját 13,95349 4. 66,240 2,260 0,073 H 0,00500 5. 66,000 2,333 0,067 h(%) 6,97674 6. 64,800 2,400 0,075 Frekvencia hibasáv: 0,97350 7. 51,840 2,475 Frekvencia bizonytalanság: 12,97999-14,927 2009.10.30. PTE PMMK MIT 78