View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Sensorteknik 2017
Trådtöjningsgivare
Johan Nilsson
http://www.kyowa-ei.com www.hbm.com
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
www.sensorwiki.org/doku.php/sensors/strain_gauge, techworld.idg.se, museum.mit.edu, en.wikipedia.org/wiki/1933_Long_Beach_earthquake
• Uppfanns 1938 i USA för mätningar under
utveckling av jordbävningssäkra byggnader
(Simmons & Ruge)
• Använda nu i ett stort antal tillämpningar
• Ex.
• Övervakning av maskiner och byggnader
• Givarelement i vågar och last celler
• Givarelement i accelerometrar och
tryckgivare
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Syfte med dagens föreläsning
• Förstå grundprincipen för en trådtöjningsgivare
• Hur ansluts den in i en elektronisk krets
• Fördelar med bryggkopplingar
• Lite översikt om tillämpningar för
trådtöjningsgivare
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
www.hbm.com
• Resistiv givare
• Resistansen ändras då givaren förlängs
eller förkortas – Töjning eller
kompression
• Ex. Vid töjning blir givaren längre och
smalare samtidigt.
! = # $%r – resistivitetL – LängdA - Tvärsnittsarea
& = ' ( )
) = *$$
Hookes lags – Mekanisk spänning (Kraft per ytenhet)E – Elasticitetsmodulene - Töjning
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
www.hbm.com
Relativ ändring av resistansen:
! = # $%
+ = *!! = *#
# + *$$ + *%%
Samband mellan töjning och relativ ändring av tvärsnittsarea:
*%% = −./*$$
Sammantaget:
*!! = *#
# + 0 + ./ *$$
gg - Poissons tal, 0,5 innebär konstant volym
DDL/L = e av storleksordning 0,1%
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
www.hbm.com
För metaller i allmänhet i närheten av 2. Konstantan är en vanlig
metall i trådtöjningsgivare och den har en givarfaktor på just 2.
Halvledarmaterial kan ha givarfaktorer på upp mot 100, framför allt
beroende på att resistiviteten ändras med töjningen.
Halvledarmaterialen har sämre linjaritet och större
temperaturberoende.
Givarfaktorn, k:
1 =*!!*$$= +)
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Klistras ofta mot mätobjektet (viktigt att välja rätt klister)
Ex. montering
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?)
Riktningskänslighet:
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?)
Riktningskänslighet:
De tjockare ändarna gör att givaren framför allt ger utslag i
längsriktningen.
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Flera givare kan kombineras för att analysera en töjning med okänd
riktning.
Riktningskänslighet:
www.hbm.com
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Hur mäter man bäst en så liten resistansändring?
Utmaning 1:
Givarna har ofta resistanser i området 10 - 500 Ohm. 0,2% relativ
resistansändring ger en resistansändring på 0,02 – 1 Ohm.
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Lösning på utmaning 1:
Koppla in givaren i en mät-brygga (Wheatstone-brygga, kvarts-
brygga).
Nolla bryggan genom att sätta R2 = R1, R3 = R4.
Utsignalen blir då (om DDR1 är liten):
23 ≈25!0
∆!0 =25∆!0!0
= 2. )
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Hur kan man lösa detta problem?
Utmaning 2:
Olika temperaturkoefficienter för givarmaterialet och mätobjektet
-> Olika töjning eller kompression i de båda materialen
-> Utsignal utan fysisk belastning
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Lösning på utmaning 2:
Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt
riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga)
R0(1+r1) R0(1+r2)
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare
Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur
Lösning på utmaning 2:
Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt
riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga)
R0(1+r1) R0(1+r2)
Utsignalen blir då (om r1 är liten): 23 ≈25 (+0 − +.)
För en temperaturändring, (r1 = r2):
För töjningen, (r1 = -r2):
23 = 9
23 ≈2. +
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare - Applikationer
Ex. Last-cell för kraftmätning med upp till 4 givare som kopplas i
en brygga.
www.sparkfun.comhttp://www.smdsensors.com
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare - Applikationer
Ex. Övervakning av tåg-räls
engtech.weebly.com/uploads/5/1/0/6/5106995/practical_applications_of_strain_gauges_student_sample.pptx
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare - Applikationer
Ex. Mätning av vridmoment
nybryggt.ignorelist.comgzracing.se
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Trådtöjningsgivare - Applikationer
Ex. Givarelement i mikromekanisk trycksensor
http://tid.uio.no/kurs/fys4260/chap9.html
Sensorteknik 2017
Flödesmätning
Johan Nilsson
http://www.kyowa-ei.com www.hbm.com
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Flödesmätning
• Laminärt – Turbulent flöde
Re < 2300 2300 < Re
(Circular geom.)
Reynolds number
Re =Inertial forceViscous force
Re =ρ ⋅ u ⋅ dη
r = densityu = average linear velocityd = characteristic length (diameter)h = viscosity
Laminärt Turbulent
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Flödesmätning
• Totalflöde – t ex i en rörledning
• Volymflöde (m3/s)
• Massflöde (kg/s) = Volymflöde x Densitet (om
inkompressibelt)
• Lokalflöde
• T ex då man vill veta hur strömningspriofilen
ser ut
• Totalflöde kan erhållas genom att integrera
det lokala flödet över tvärsnittsytan.
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Obstruktionsmätare
Ex. Strypfläns
! = #$%&
' − %&%'
&)
&(+' − +&)-
)
Från Bernouille:
A1A2
Cd – Korrektionsfaktor
för aktuell geometri
Trycksensor
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Induktiv flödesmätare (Hall-effekt)
Magnetfält vinkelrätt mot flödet, ger upphov till en tvärs-spänning
Ledande fluider
Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson
Löptidsmätare
Tiderna för en ultraljudspuls att gå från sändare till mottagare och från
mottagaren tillbaka till sändaren igen mäts.
∆/ ≈ &12& 3 =
&12&%!
Recommended