Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2008 / 2009.BSc.II.évf. Érzékelők általános összefoglalója Az előadás anyaga részletesen megtalálható: http://e-oktat.pmmf.hu/irtech2 1. fejezet
Nem villamos jelek mérésének folyamatai.
Érzékelők, jelátalakítók felosztása. Passzív jelátalakítók. 1.Ellenállás változáson alapuló jelátalakítók - potenciométeres jelátalakítók: fém, félvezető anyagból - nyúlásmérő ellenállások (bélyegek) nyomás, erő, rezgés, mechanikai feszültség,.. -hőellenállások - fém anyagból - félvezetőből 2.Kapacitív jelátalakítók elmozdulás, szögelfordulás, szintérzékelők, páratartalom, dinamikus nyomás, rezgés,
3.Mágneses ( induktív ) érzékelők : elmozdulás, elfordulás, Aktív jelátalakítók. 1.Mágneses ( indukciós) jelátalakítók: elmozdulás (elektronikus mérleg),fordulatszám térfogatáram,. 2.Piezoelektromos érzékelők: erő, nyomás, rezgés, gyorsulás,.. 3. Ultrahangos jelátalakítók: szint, térfogatáram, rezgés.. 4. Optoelektronikai jelátalakítók: jelenlét, alakfelismerés, nyomás, erő, gázok koncentrációja
Érzékelők csoportosítása Egyszerű érzékelők: nevezzük azokat az egységeket, amelyekben a felsorolt átalakítókból csak egy van beépítve. Összetett az érzékelő: ha több azonos típusú, vagy több különböző funkciójú szenzorelemet tartalmaz (multiszenzoros érzékelő).
1.Ellenállás-változáson alapuló jelátalakítók. a. Potenciométeres jelátalakítók b. Jelátalakítás nyúlásmérő ellenállásokkal
1.Ellenállás-változáson alapuló jelátalakítók. a. Potenciométeres jelátalakítók. csúszó érintkező ellenállás s csúszó érintkező φ 0 ellenállás U 0 R 0 l 0 l s U s φ s R R s = R s l s R l 0 0 U 0 R s 0 R =ϕ s s ϕ 0
A modellezéshez használható kapcsolás a vezeték és a terhelő ellenállásokkal: A jelleggörbe csak terheletlen állapotban lineáris.. U be R vez1 R vez2 Kivitelük lehet: rétegellenállás - lineáris - logaritmikus jelleggörbével huzalellenállás R 0 R x R t U ki R vez1 R vez2
példák
b. Jelátalakítás nyúlásmérő ellenállásokkal. Készülnek: fém és félvezető (piezorezisztív) anyagokból. A fém ellenállások nagyon vékony, és minél hosszabb, a nyomtatott áramköröknél alkalmazott technológiával készült, bonyolult formájú mérőelemek. A mérés alapja az ábrán látható: F A- A A F l Ha egy villamosan vezető anyagot F erővel meghúzunk, ill. összenyomunk, a vezető keresztmetszete megváltozik, ami ellenállás-változást okoz. Az ellenállást, rugalmas hordozóra, különleges ragasztóval felhelyezik és kis ellenállású kivezetéssel látják el.
Az első nyúlásmérő bélyeg (Ruge, 1938)
A nyúlásmérő bélyegek segítségével különböző mechanikai jellemzőket lehet meghatározni: húzó,- nyomó erő, nyomaték, nyomás, rezgés, tömeg, szintmagasság, különböző feszültségi állapot, stb. A bélyegek elhelyezése, száma a mérendő jellemzőtől, a kívánt pontosságtól, stb. függ. Minden mérés alapja, a bélyegelemre ható húzó,- ill. nyomó erőből adódó deformáció meghatározása, ellenállásváltozás segítségével. A tiszta húzásra igénybevett test viselkedésére a rugalmasság határain belül a Hooke- törvénye érvényes: σ = Eε б a feszültség [ MPa ] E- az anyagra jellemző rugalmassági modulus [ MPa ]
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 ε = l0 l 100% l
Rugalmas anyagok mechanikai erő maradandó alakvátozás szakadás rugalmasság határa Rugalas szakasz, Hooke törvény érvényesül megnyúlás
ε fajlagos nyúlás %-ban l 0 - a vezeték megnyúlt hossza [ m ] l a vezeték eredeti hossza [ m ] A vezeték ellenállásának eredeti értéke: ρ a huzal anyagának fajlagos ellenállása [Ωmm 2 /m] A a huzal keresztmetszete[mm 2 ] R = ρ l A A relatív ellenállás-változás: dr dρ dl da = + R ρ l A A keresztirányú változást és a fajlagos ellenállás megváltozását egy átalakítási tényezőbe foglalták össze, amelyet k bélyegállandónak neveznek, és megvásároljuk a bélyeggel. Nagysága 2-2,7 között változik.
Az ellenállás-változás nagysága: A szabványos alapellenállás értéke: 90, 120, 300, 350, 600,1000 ohm dr = k ε R A bélyeg felépítése: kivezetések hordozó Egy egyelemes bélyeg nyomtatott kivitele. F F meander alakú ellenállás
A félvezető ellenállások kivitele eltér a fémből készült ellenállásokétól, mivel az ellenállás-változást a fajlagos ellenállás megváltozása hozza létre. Ez a félvezetőnél nagymértékű, ami a k bélyegállandó értékében jelenik meg: k=100 körül van. Kiviteli formája: hordozó kivezetések Félvezető ellenállás
Példa: mekkora ellenállás-változást kell mérnünk, ha egy test felületére ragasztott bélyegben a húzóerő hatására б = 10 MPa feszültség ébred? A bélyeg alapellenállása R=120 Ω, a bélyegállandó k=2, a rugalmassági modulusa E= 2 10 5 MPa. = E σ ε R R = = kε = 10 = 5. 10 5 2.10 2.5.10 5 5 = 10 4 = 0,1% A várható ellenállás-változás: R =R k ε = 120 10-4 = 0,012Ω A példában bemutatott kis ellenállás csak megfelelő mérőműszerhez csatlakoztatva mérhető.
kételemes bélyeg, hossz és keresztirányú ellenállásokkal Néhány bélyeg kiviteli formája: halszálka alakú bélyeg membrán bélyeg egyelemes bélyeg háromelemes bélyeg 45º- os elrendezéssel tízelemes bélyeg
A példában bemutatott ellenállás-változás mérésére leggyakrabban a A Wheatston-híd kapcsolást alkalmazzák. Az R M mérőbélyeget a mérőműszerbe R 1 R M épített másik három ellenállással mérő- D G C hídba kapcsolják össze. Az pl. R 1, R 2 120 Ω-os ellenállás R V változtatható ellenállás R 2 R V B A Wheatston-híd A, B kapcsaira egyenáramú tápforrást, a C, D kapcsok közé egy galvanométert (árammérőt) kötnek. A változtatható ellenállást addig kell változtatni míg a galvanométer, az átfolyó áramra nulla értéket nem mutat.
Ekkor az I G = 0, vagyis a híd kiegyenlített. Ilyenkor a híd szemben fekvő ágaiban elhelyezkedő ellenállások szorzata egyenlő: RM R2 = R1 RV Ha a mérőbélyeg terhelést kap, a mérőellenállás megváltozik, a hidat ismét ki kell egyenlíteni. A hangolási értéket mindkét esetben skáláról lehet leolvasni, a két skálaérték közötti különbség a megváltozott ellenállás. Mérés közben a mérendő test hőmérséklete megváltozhat, meg kell különböztetni a terhelésből és a hőmérséklet-változásból adódó deformációt, ezért egy hőmérséklet kompenzáló, azonos nagyságú ellenállást kell beépíteni. Ezt az ellenállást olyan helyre kell ragasztani, amely felület nincs terhelve, de a hőmérséklete azonos a mérőtest hőmérsékletével. A mérőhíd ágaiba egyszerre több aktív bélyeget is el lehet helyezni, így beszélhetünk, fél hídról, ha kettő, teljes hídról, ha négy bélyeggel kívánjuk a deformációt megmérni. (Részletesen: jegyzet 1.2 ábra)
Wheatstone-híd, R K kompenzáló ellenállás beépítésével. A A R M R 1 C C G R k R V Mérendő alkatrész B B Mérőműszer Ha a hőmérséklet megváltozik, az R M és R K is azonosan változik meg, azaz a szemben lévő ellenállások szorzata nem változik. A hidat negyed hídnak nevezik. ( egy aktív bélyeget tartalmaz)
Hőmérséklet-függő ellenállások. a. Fém alapanyagból b. Félvezetőből Részletes anyag: 2.előadás!!
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)
2. Kapacitív jelátalakítók
2. Kapacitív jelátalakítók A kapacitív átalakítók a mérendő mennyiséget kapacitás-változássá képezik le A gyakorlatban leggyakrabban a sík- és hengerkondenzátorokat alkalmazzák Síkkondenzátor Változhat - a kondenzátor felülete : A[m 2 ] A síkkondenzátor kapacitása: A [ F] x C=ε 1 0εr δ ε r relatív permittivitás, dimenzió nélküli szám ε 0 =8,85 *10-12 pf/m (vákum permittivitás ) - fegyverzetek távolsága: δ [m ] - a dielektromos állandó: ε [pf/m] - fegyverzetek helyzete A y ε R x δ x δ A 1 ( a két felület fedi egymást)
Hengerkondenzátor. l ε d Cső-cső, henger-cső kivitelben készülnek. A kapacitása: C = 2πε εl 0 r ln D / d ( ) d a belső fegyverzet átmérője [m ] D a külső fegyverzet átmérője [m ] D l 0 C ε lev hengerkondenzátor dielektruma a változó magasságú folyadékok és a levegő Példa: folyadék szintmagasságának folyamatos regisztrálása (szigetelő folyadék) l X x min x x x max lszint = xmax xmin ε foly X x a pillanatnyi szint
A kondenzátor két részkondenzátorként működik, egy levegő és egy folyadék dielektrikummal, amelyek az ábra alapján párhuzamos kondenzátorokként értékelhetők. C= C + C 1 2 A minimum szinthez, a C min kapacitás, l 0 hosszal és ε levegő dielektromos állandóval: lev 0 ( ) A max. szint : x max 2πε ( l l ) Cmax = C1 + C2 levegő folyadék dielektrikummal x C 1 C min 2 = = C = min lev 0 szint ( ) ln D / d 2πε l foly szint ln D / d ( ) 2πε l ln D / d
Kondenzátor alkalmazása nyomás-és erőmérésre. A fegyverzetek közötti távolság (δ ) változik. Főleg dinamikus nyomás, erő mérésére alkalmas.
Páratartalom érzékelő kondenzátor. A nedvesség hatására a dielektromos állandó változik meg. 1.Szilícim hordozó 2.Tantál rács(1.fegyverzet) 3.Nedvességérzékeny műanyagfólia (dielektrikum) 4.Arany rács(2. fegyverzet) Az érzékelő vékonyréteg technológiával készül.
Mágneses jelátalakítók. Fizika I. 4-5. előadás ismeretei alapján Két fő típusa lehet: induktív jelátalakítók indukciós jelátalakítók. Gyakran ezek kombinációit alkalmazzák. 3. Induktív jelátalakítók. Valamilyen fizikai jellemző (elmozdulás, elfordulás, rezgés, fordulatszám,stb.) megváltozásának hatására a tekercs induktivitása megváltozik. Ha a mágneses Ohm-törvényt felírjuk: U =Φ R k,mág k k,mág µ= µ 0 µ r Ahol µ 0 =4π 10-7 Vs/Am a vákuum permeabilitási tényezője
A mágneses ellenállás R k,mág = lk a µ k k a a vasmag keresztmetszete l k a vasmag íveleme Mozgó lágyvas x mozgó lágyvasmag x U tekercsek U
Az érzékelők lehetnek tekercs-típusúak és transzformátor-típusúak. Mindkettő lehet egytekercses, ill. differenciál kivitelű. A differenciál kivitellel a kimenő jel megduplázható. A légrés felül: x 0 x A légrés alul: x 0 + x x x 0 A kimenő jel a légrés-változásokból adódó induktivitásváltozás lesz a. x- irányú kis elmozdulások érzékelésére b. φ- irányú kis szögelfordulás érzékelésére c. φ- irányú nagyobb szögelfordulás érzékelésére.
Differenciál-transzformátor típusú jelátalakító, merülőmagos kivitel primer tekercs A legelterjedtebb induktív jelátalakító. A belső, primer tekercs egy tekercs, csak meg van osztva, legtöbbször két részre, és U feszültséggel táplált. A külső a két szekunder tekercs, amelyekben a vasmag elmozdulásának hatására áram indukálódik. Mivel a két szekunder tekercs külön-külön jelet biztosít, differenciál jelátalakítóként működik. A kimenő jel transzformátor áttétel változás. szekunder tekercsek
LVDT (Linear Variable Differential Transformer ) http://www.rdpe.com/flash/lvdt-anim.swf
4. Indukciós jelátalakítók. ( mozgási indukción alapuló jelátalakítók) Ha mágneses térben egy vezetőt v sebességgel mozgatunk, a vezetőn, U feszültség indukálódik: Ha B U= Bvsinαds A sin α = 1 vagyis ha sebesség a mágneses indukció vonalakra merőleges: B az állandó mágnes indukciója [Vs/m 2 ] α a sebesség és az indukció vonalak által bezárt szög U = vbl
Az indukciós jelátalakítók három csoportja különböztethető meg: - erővonal metszésen alapuló- a B mágneses tér és tekercs egymáshoz képest elmozdul - térváltozás jön létre- az átalakító mágnestere ( B) megváltozik - örvényáramos átalakítók. Leggyakrabban az erővonal metszésen alapuló megoldásokkal találkozhatunk: U ± U v D v É D É U ± U D A tekercs áll, a mágnes mozog A mágnes áll, a tekercs mozog
Érintés nélküli, analóg fordulatszám érzékelő. forgórész tekercsek A forgórész egy páros számú, váltott pólusú kerék, ahol az állandó mágneses körök az állórészben körben elhelyezett, a pólusokkal azonos irányú tekercsben, a fordulatszámmal arányos áramot indukálnak.
Mágneses (indukciós) térfogatáram mérő. 1.,2. tekercsek A cső anyaga a mérés helyén szigetelő, a közeg vezetőképessége legalább 5 µs/cm legyen. A Faraday- elven működő áramlásmérő minden olyan anyag térfogatáramának mérésére alkalmas, amelyeket más mérési elvvel működő eszközökkel nem lehet megmérni: szennyezett folyadékok, paszták, élelmiszer, stb. A térfogatáram és az indukált feszültség: q v U = 2 D π 4 4B = D π q v v
Turbinás áramlásmérő Érzékelője lehet: induktív, vagy induktív-indukciós összetett
5.Piezoelektromos jelátalakítók. Néhány nem fémes anyag nyomás hatására, polarizálódik, a egyik felületén negatív, a másikon pozitív töltések válnak ki. Ha a kvarckristályból megfelelő síkokban vékony lapot vágnak ki, az x tengelyre merőlegesen elhelyezett vezetőfelületen, az erővel arányos töltésmennyiség mérhető. Nagysága: [ ] Q= d F pc 11 x Q indukált töltésmennyiség F x nyomóerő [N] d 11 piezoelektromos együttható kvarcnál: 2,3 pf.
A méréstechnikai alkalmazásokban a nagyobb kimenő jel érdekében több kerámialapot fognak össze, a polarizációnak megfelelően. Mivel a keletkezett töltésmennyiség nem függ a felületek nagyságától, csak a számától, kis méretűre lehet gyártani. A töltésmennyiség: + + + F x - - x 11 x [ ] Q = nd F pc Az ábrán egy erőmérő cella látható, ahol + F x - 1. kerámia lapok 2. - elektromos csatlakozó 3. - a terhelés tartóeleme 4. - ház
Alkalmazási területe főleg, a dinamikus erők és nyomások mérése, valamint ultrahang előállítására, illetve fogadására. Miért nem alkalmazható statikus erő mérésére, ill. elektromos áram előállítására? 6.Ultrahangos jelátalakítók. Az ultrahangok 20 khz től, néhány MHz tartományban terjedő hullámok. Méréstecnikai alkalmazásuk főleg : a roncsolás mentes anyagvizsgálat, a hosszmérés, szintmérés és az áramlásmérés területén találhatók. Az ultrahangos jelátalakító adója egy piezokerámia oszlop, amelyet tápfeszültséggel rezgésbe hoznak. A vevő szintén egy kerámia oszlop, amely a rezgés hatására áramot indukál. ( Az ultrahangos áramlásmérőt működési elvét az áramlástechnikai méréseknél részleteztük.)
Alkalmazási példa ultrahangos szintmérésre: szállító szalag ultrahang adó, vevő szén Az ábrán egy kazán automatikus tüzelőrendszerét látjuk. A szén a 30 m-es tárolóba szállítószalagon érkezik és a maximum szintig tölti a tárolót. A kazánba táplálás is automatikusan történik, az ultrahangos szintérzékelő és a kazánvezérlés segítségével.
7. Optoelektronikai jelátalakítók. A fény mint információhordozó jel, sok esetben felülmúlja az elektromos áramot. A jelvezetéket, mely fénykábel, semmilyen külső zavar nem befolyásolja. Az optikai elemek, lencsék, tükrök, prizmák, stb. nehéz technológiai környezetben is jól dolgoznak. A jelátalakítók - adóból -vevőből és - jelvezetékből állnak. Az adók (fénykibocsájtó elemek) lehetnek: - fényemittáló dióda ( LED) - félvezető lézer A fényérzékelő elemek lehetnek: - fotoellenállások -fotodiódák - fototranzisztorok
Száloptikák alkalmazása mozgó alkatrészek jelenlétének érzékelésére. Az ábrán egy tükröző felületet tartalmazó alkatrész jelenlétét, de a feldolgozó elektronikától függően, sebességét is meg lehet állapítani.
Az optikai érzékelők gyakori mérési elve : - az átmenő sugaras elv és - a reflexiós elv. Alkatrész jelenlétének ellenőrzése átmenő sugaras jelátalakítóval. Alkatrész vastagságának ellenőrzése reflexiós jelátalakítóval
Néhány példa az ipari alkalmazások területéről: 1. 2. 3. 1. Szerszám fogai állapotának ( hiány, törés) figyelése. 2. Szállító pályán továbbított, különböző alkatrészek elhelyezkedésének figyelése. 3. Papírtekercs feszességének figyelése.
1. 2. 3. 1. Csapágygolyók átmérőjének ellenőrzése. ( csak az eltérőket különbözteti meg az átlagtól ) 2. Tekercselés szélességének meghatározása. 3. Szállítópályán mozgó alkatrészek válogatása magasság szerint
1. Szállító szalagon továbbított üvegek számának meghatározása. Így ellenőrzik az üres üvegeket is, hogy nem tartalmaznak-e durva szennyeződést. 2. Üveg vastagságának ellenőrzése, ha nem a megfelelő az üveg vastagsága a törésmutatója máshová vetíti a fókuszált fényt. 3. Automatikus gyártásba elhelyezett fúró törésének ellenőrzése.