Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás .
-
Upload
kim-spears -
Category
Documents
-
view
21 -
download
5
description
Transcript of Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás .
Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás.
2007/2008.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…
1.Ellenállás-változáson alapuló jelátalakítók. a. Potenciométeres jelátalakítók.
0s s
0
RR l
l
U0R0
ls
Rs
Usl0
U0
φ0
φs
sellenálláscsúszó érintkezőcsúszó érintkező
ellenállás
Rs
0s s
0
RR
Ube
Rvez1
Rvez1 Rvez2
Rvez2
R0 RxRt
Uki
A modellezéshez használható kapcsolás a vezeték és a terhelő ellenállásokkal:
A jelleggörbe csak terheletlen állapotban lineáris.
. Kivitelük lehet: rétegellenállás
- lineáris
- logaritmikus jelleggörbével
huzalellenállás
b. Jelátalakítás nyúlásmérő ellenállásokkal.
Készülnek: fém és félvezető (piezorezisztív) anyagokból.
A fém ellenállások nagyon vékony, és minél hosszabb, a nyomtatott áram-
köröknél alkalmazott technológiával készült, bonyolult formájú mérőelemek.
A mérés alapja az ábrán látható:
l
AF F
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 kiveze-
téssel látják el.
A- ΔA
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 pontos- ságtól, stb. függ. Minden mérés alapja, a bélyegelemre ható húzó,- ill. nyomó erőből adódó
deformáció meghatározása, ellenállás-változás segítségével.
A tiszta húzásra igénybevett test viselkedésére a rugalmasság határain belül a Hooke- törvénye érvényes:
E
б – a feszültség [ MPa ]
E- az anyagra jellemző rugalmassági modulus [ MPa ]
0 100%l l
l
ε – fajlagos nyúlás %-ban
l0- a vezeték megnyúlt hossza [ m ]
l– a vezeték eredeti hossza [ m ]
A vezeték ellenállásának eredeti értéke:l
RA
dR d dl dA
R l A
ρ – a huzal anyagának fajlagos ellen- állása [Ωmm2/m]A – a huzal keresztmetszete[mm2]
A relatív ellenállás-változás:
A keresztirányú változást és a fajlagos ellenállás megváltozását egy átalakítási
tényezőbe foglalták össze, amelyet k bélyegállandónak neveznek, és megvásá-
roljuk a bélyeggel. Nagysága 2-2,7 között változik.
dRk
R
Az ellenállás-változás nagysága:
A szabványos alapellenállás értéke:
90, 120, 300, 350, 600,1000 ohm
F F
meander alakú ellenállás
kivezetések hordozó Egy egyelemes bélyeg nyomtatott kivitele.
A bélyeg felépítése:
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:
kivezetésekhordozó
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 modulu-
sa E= 2 · 105 MPa.
A várható ellenállás-változás:
ΔR =R k ε = 120·10-4 = 0,012Ω
A példában bemutatott kis ellenállás csak megfelelő mérőműszerhez csat-
lakoztatva mérhető.
55
10.510.2
10 E
%1,01010.5.2 45 kR
R
Néhány bélyeg kiviteli formája:
egyelemes bélyeg
membrán bélyeg
háromelemes bélyeg45º- os elrendezéssel
tízelemes bélyeg
halszálka alakú bélyeg
kételemes bélyeg, hossz éskeresztirányú ellenállásokkal
GD
A
B
C
RM
RV
R1
R2
A példában bemutatott ellenállás-változás mérésére leggyakrabban a
Wheatston-híd kapcsolást alkalmazzák.
Az RM mérőbélyeget a mérőműszerbe
épített másik három ellenállással mérő-
hídba kapcsolják össze.
Az pl. R 1 , R2 – 120 Ω-os ellenállás
RV – változtatható ellenállás
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 IG = 0, vagyis a híd kiegyenlített. Ilyenkor a híd szemben fekvő ágaiban elhelyezkedő ellenállások szorzata egyenlő:
M 2 1 VR R R R
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 külön-böztetni 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)
G
A
B
Rk
R1
C
RM
RV
A
B
C
Wheatstone-híd, RK kompenzáló ellenállás beépítésével.
Ha a hőmérséklet megváltozik, az RM és RK is azonosan változik meg, azaz a szemben lévő ellenállások szorzata nem változik. A hidat negyed hídnak nevezik. ( egy aktív bélyeget tartalmaz)
Mérendő alkatrész Mérőműszer
c. Hőmérséklet-függő ellenállások.
a. Fém alapanyagból
b. Félvezetőből
Részletes anyag: 2.előadás
2. Kapacitív jelátalakítók.
A gyakorlatban leggyakrabban a sík- és hengerkondenzátorokat alkalmazzák
Síkkondenzátor Változhat - a kondenzátor felülete : A[m2]
x
y
εR
δ x
δA
A1 ( a két felület fedi egymást)
x1
- fegyverzetek távolsága: δ [ m ]
- a dielektromos állandó: ε [ pF/m]
0 r
AC F
A síkkondenzátor kapacitása:
ε0 =8,85 *10-12 pF/m
εr – relatív permittivitás, dimenzió nélküli szám
d
D
ε
l0
lX
xmin
xx
xmax
εlev
ΔC
εfoly
Hengerkondenzátor. Cső-cső, henger-cső kivitelben készülnek.
A kapacitása:
0 r2 l
Cln D / d
Példa: folyadék szintmagasságának fo-lyamatos regisztrálása
szint max minl x x
Xx – a pillanatnyi szint
d – a belső fegyverzet átmérője [m ]
D – a külső fegyverzet átmérője [m ]
l
A kondenzátor két részkondenzátorként működik, egy levegő és egy folyadék dielektrikummal, amelyek az ábra alapján párhuzamos kondenzátorokként értékel-hetők.
1 2C C C
A minimum szinthez, a Cmin kapacitás, l0 hosszal és ε levegő dielektromos állandóval:
A max. szint : xmax
lev 0
min min
2 lx C
ln D / d
max 1 2C C C
levegő folyadék dielektrikummal
lev 0 szint1
2 l lC
ln D / d
foly szint
2
2 lC
ln D / d
Kondenzátor alkalmazása nyomás-és erőmérésre.
A fegyverzetek közötti távolság (δ ) változik.
Főleg dinamikus nyomás, erő mérésére alkalmas.
Páratartalom érzékelő kondenzátor.
1.Szilícim hordozó
2.Tantál rács(1.fegyverzet)
3.Nedvességérzékeny mű-
anyagfólia (dielektrikum)
4.Arany rács(2. fegyverzet)
A nedvesség hatására a dielektromos állandó változik meg.
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:
Ahol μ0 =4π 10-7 Vs/Am
a vákuum permeabilitási tényezője
μ = μ0 μr
k,mág k k,mágU R
ΔU
x
x
ΔU
A „ mágneses ellenállás” a – a vasmag keresztmetszete
lk – a vasmag íveleme
mozgó lágyvasmagMozgó lágyvas
tekercsek
kk,mág
k k
lR
a
a. x- irányú kis elmozdulások érzékeléséreb. φ- irányú kis szögelfordulás érzékelésérec. φ- irányú nagyobb szögelfordulás érzékelésére.
Az érzékelők lehetnek tekercs-típusúak és transzformátor-típusúak.
Mindkettő lehet egytekercses, ill. differenciál kivitelű.
A differenciál kivitellel a kimenő jel megduplázható.
x0
Δx
A légrés felül:
x0 – Δx
A légrés alul:
x0 + Δx
A kimenő jel a légrés-válto-
zásokból adódó induktivitás-
változás lesz
Differenciál-transzformátor típusú jelátalakító, merülőmagos kivitel
primer tekercs
szekunder tekercsek
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 biz-tosít, differenciál jelátalakítóként műkö-dik. A kimenő jel transzformátor áttétel változás.
4. Indukciós jelátalakítók. ( mozgási indukción alapuló jelátalakítók)
Ha mágneses térben egy vezetőt v sebességgel mozgatunk, a vezetőn,
U feszültség indukálódik:
B
A
U Bvsin ds sin 1 Ha
vagyis ha sebesség a mágneses indukció vonalakra merőleges:
U vBl
B – a tekercsben kialakult mág-
neses indukció [Vs/m2]
α – a sebesség és az indukció
vonalak által bezárt szög
É D
U ± ΔU
v
É
D
D
v
U ± ΔU
Az indukciós jelátalakítók három csoportja különböztethető meg:
- erővonal metszésen alapuló- a B mágneses tér és tekercs egymás-
hoz képest elmozdul
- térváltozás jön létre- az átalakító mágnestere ( B) megváltozik
- örvényáramos átalakítók.
Leggyakrabban az erővonal metszésen alapuló megoldásokkal találkozhatunk:
A tekercs áll, a mágnes mozog
A mágnes áll, a tekercs mozog
Érintés nélküli, analóg fordulatszám érzékelő.
forgórész
tekercsekA forgórész egy páros számú, váltott pólusú kerék, ahol az állandó mágneses körök az álló-részben körben elhelyezett, a pólusokkal azonos irányú tekercsben, a fordulatszámmal arányos áramot indukálnak.
Mágneses (indukciós) térfogatáram mérő.A Faraday- elven működő áramlás-mérő minden olyan anyag térfo-gatáramának mérésére alkalmas, amelyeket más mérési elvvel mű-ködő eszközökkel nem lehet meg-mérni: szennyezett folyadékok, paszták, élelmiszer, stb.
A cső anyaga a mérés helyén szigetelő, a közeg vezetőképessé-ge legalább 5 μS/cm legyen.
A térfogatáram és az indukált feszültség:
2
v
Dq v
4
v
4BU q
D
1.,2. tekercsek
Turbinás áramlásmérő
Érzékelője lehet: induktív, vagy induktív-indukciós összetett
5.Piezoelektromos jelátalakítók.
Néhány nem fémes anyag nyo-más hatására, polarizálódik, a egyik felületén negatív, a mási-kon pozitív töltések válnak ki. Ha a kvarckristályból megfelelő síkokban vékony lapot vágnak ki, az x tengelyre merőlegesen elhelyezett vezetőfelületen, az erővel arányos töltésmennyi-ség mérhető.
Nagysága:
Q – indukált töltésmennyiség
Fx – nyomóerő [ N]
d11 – piezoelektromos együttható
kvarcnál: 2,3 pF.
11 xQ d F pC
x 11 xQ nd F pC
+
+
+++
----
-
Fx
Fx
A méréstechnikai alkalmazásokban a nagyobb kimenő jel érdekében több kerámia-lapot fognak össze, a polarizációnak megfelelően. Mivel a keletkezett töltésmennyi-ség nem függ a felületek nagyságától, csak a számától, kis méretűre lehet gyártani.
A töltésmennyiség:
Az ábrán egy erőmérő cella látható, ahol
1. – kerámia lapok
2. - elektromos csatlakozó
3. - a terhelés tartóeleme
Alkalmazási területe főleg, a dinamikus erők és nyomások mérése, valamint ultra-hang 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 roncsolásmentes anyagvizsgálat,
a hosszmérés, szintmérés és
az áramlásmérés területén találhatók.
Az ultrahangos jelátalakító adója egy piezokerámia oszlop, amelyet tápfeszült-
séggel rezgésbe hoznak. A vevő szintén egy kerámia oszlop, amely a rezgés ha-
tására 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 segítségé-
vel.
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 vastagságának ellenőrzése reflexiós jelátalakítóval
Alkatrész jelenlétének ellenőrzése átmenő sugaras jelátalakítóval.
Néhány példa az ipari alkalmazások területéről:
1. 2. 3.
4. 5.6.
7. 8. 9.
Az előző ábra képeinek magyarázata:
1. Szerszám fogai állapotának ( hiány, törés) figyelése.2. Szállító pályán továbbított, különböző alkatrészek elhelyezkedésének
figyelése.3. Papírtekercs feszességének figyelése.4. Csapágygolyók átmérőjének ellenőrzése. ( csak az eltérőket különböz- teti meg az átlagtól )5. Tekercselés szélességének meghatározása.6. Szállítópályán mozgó alkatrészek válogatása magasság szerint.7. Szállító szalagon továbbított üvegek számának meghatározása.
Így ellenőrzik az üres üvegeket is, hogy nem tartalmaznak-e durva szennyeződést.8. Üveg vastagságának ellenőrzése, ha nem a megfelelő az üveg
vastagsága a törésmutatója máshová vetíti a fókuszált fényt.9. Automatikus gyártásba elhelyezett fúró törésének ellenőrzése.