VSOKA TEHNIČKA ŠKOLA STRUKOVNIH STUDIJA U ZRENJANINU

„MERENJE BRZINE“ -seminarski rad-

Nastavni predmet: Merenje fizičke veličine Studijski program: Mašinsko inženjerstvo PREDMETNI NASTAVNIK: STUDENTI:

Iris dr. Borjanović Aleksandar Perlić Zoltan Gabor

U Zrenjaninu, april 2016. god.

2

SADRŽAJ 1. UVOD .............................................................................................................................................. 3

2. SENZORI BRZINE KOD AUTOMOBILA ................................................................................................ 4

2.1 Senzori broja obrtaja motora ..................................................................................................... 4

2.2 Senzor brzine automobila .......................................................................................................... 5

2. TAHOGENERATOR (Tahometar) ....................................................................................................... 6

3. AKCELEROMEAR .............................................................................................................................. 8

4. SENZORI UGAONE BRZINE ............................................................................................................... 9

5. MAGNETNI SENZOR ....................................................................................................................... 10

6. RADARSKI SENZORI ........................................................................................................................ 11

7. PIJEZOELEKTRIČNI KABL ................................................................................................................. 12

8. Holov senzor .................................................................................................................................. 13

8.1 Tipovi Holovih senzora ............................................................................................................. 15

9. LITERATURA ................................................................................................................................... 18

3

1. UVOD

Brzina (engl. velocity; SI oznaka — ) je prvi izvod vektora položaja materijalne tačke, čestice, ili tela u prostoru po vremenu. Predstavlja važan koncept u kinematici (jednoj od grana klasične mehanike), koja opisuje samo kako se tela kreću, ne razmatrajući zašto, od. uzrok kretanja tela (čime se bavi dinamika). Brzina je vektorska fizička veličina: definisana je i intenzitetom/jačinom/magnitudom i smerom. Apsolutna vrednost brzine predstavlja njenu skalarnu vrednost, tj. intenzitet; ovaj intenzitet se naziva trenutnom putnom brzinom (engl. instantaneous speed) — fizička veličina čija je SI jedinica metar u sekundi (oznaka: m/s ili m·s−1). Na primer, ako se kaže samo „5 metara u sekundi” dobija se vrednost skalara (ne vektora), dok „5 metara u sekundi istočno” označava vektor. Ukoliko postoji promena intenziteta i/ili smera brzine, za materijalnu tačku koje podleže takvim promenama se kaže da je podvrgnuta ubrzanju i da se kreće neravnomerno (neravnomernom/promenljivom brzinom). Ubrzanje je neophodan parametar u sistemima upravljanja kretanjem centra mase pokretnih objekata (aviona, raketa, brodova, podmornica, brzih vozova i dr.) i u sistemima inercijalne navigacije. Senzori za merenje ubrzanja nazivaju se akcelerometri. Translatorna i ugaona brzina u savremenoj tehničkoj praksi mere se u širokom opsegu: translatorna brzina 0 – 15000 m/s, a ugaona 0 − 20000 rad/s. Pomoću pogodnog prenosnog mehanizma translatorna brzina obično se pretvara u ugaonu. Jedinica za merenje translatorne brzine je m/s , ugaone rad/s , a jedinica za merenje frekvencije okretaja je s-1 .

4

2. SENZORI BRZINE KOD AUTOMOBILA

2.1 Senzori broja obrtaja motora

Primena Senzori broja obrtaja (nadalje brzine) motora se koriste u sistemu za upravljanje motorom za ►Merenje brzine motora i ►Određivanje pozicije radilice (pozicije klipova) Brzina motora se izračunava iz periode signala sa senzora brzine. ►Induktivni senzori brzine ►Kontrukcija i princip rada. Senzor je postavljen nasuprot feromagnetskom nazubljenom vencu uz mali vazdušni procep između njih. Sadrži jezgro od mekog gvožđa (klin pola, 4), koje je usađeno u namotaj(5). Jezgro je prislonjeno na stalan magnet (1) tako da se magnetsko polje koncentriše kroz jezgro prema nazubljenom vencu. Intenzitet magnetskog fluksa kroz namotaj zavisi od položaja senzor u odnosu na venac tj da li je nasuprot zubu ili međuzublju. Dok je isticanje magnetskog fluksa iz magneta prema vencu koncentrisano kada je senzor nasuprot zubu, a samim tim je i fluks kroz namotaj povećan, u slučaju kada je senzor nasuprot međuzublju fluks kroz namotaj se smanjuje. Kada venac rotira ove promene u magnetskom fluksu indukuju sinusoidni napon na krajevima namotaja, koji je proporcionalan promeni fluksa, a samim tim i brzini motora. Amplituda naizmeničnog napona se znatno povećava sa povećanjem brzine nazubljenog venca (od nekoliko mV do preko 100V). Potrebno je najmanje 30 opm za generisanje potrebne amplitude napona.

Slika1 Induktivni senzor brzine

5

2.2 Senzor brzine automobila

Senzor brzine automobila (VSS, Vehicle Speed Sensor)- ovaj sensor salje ECu podatak o tome kolika je trenutna brzina kretanja vozila. Moze da se nalazi na menjacu ili na tocku. Takodje, pomocu ovog senzora se moze limitovati maksimalna brzina kretanja vozila.

Slika3. Senzor brzine

Slika2. Senzor brzine u točku

Slika 4. Šematski prikaz senzora

6

2. TAHOGENERATOR (Tahometar)

Klasifikacija tahometara vrši se prema: tipu konverzije energije u primarnom elementu senzora, načinu primene i metodi merenja. Prema tipu konverzije razlikuju se: -mehanički, -magnetni, -elektromehanički i -stroboskopski tahometri. Mehanički tahometri imaju samo mehaničke pretvaračke elemente (centrifugalni, frikcioni, vremenski, hidraulički i pneumatski tahometri). Glavni element magnetnih tahometara je indukcioni pretvarač. Elektromehanički tahometri u svojim mernim kolima sadrže elektromehaničke pretvarače tahometarski generatori, tahometri sa brojanjem impulsa). Stroboskopski tahometri rade na principu stroboskopskog efekta. Po načinu primene razlikuju se stacionarni i prenosivi tahometri. Stacionarni tahometri trajno su postavljeni na osovinu objekta, a prenosivi (ručni) priključuju se na osovinu povremeno. Prema metodi merenja, tahometri se dele na kontaktne i beskontaktne.

Slika 5. Istosmerni tahogeneratori

sinhroni

anhroni

7

Istosmerni tahogenerator je istosmerni generator koji stvara elektromotornu silu proporcionalnu brzini obrtanja rotora. Pobuda tahogeneratora ostvaruje se pomoću stalnih magneta ili namotaja sa konstantnom i nezavisnom pobudom. Rotorski (armaturni) namotaj preseca magnetno polje i indukuje se elektromotorna sila E proporcionalna fluksu pobude φ i brzini obrtanja ω:

E = cφω.

Koeficijent statičkog prenosa k iznosi 3−100mV/ob/min. Na tačnost linearne karakteristike najviše utiču opterećenje, prelazni otpor četkica i temperatura. Svakoj vrednosti otpora opterećenja RL < ∞ odgovara odre|eni dijapazon promene brzine ω od 0 do ωg za koji je izlazni napon linearan. Sa porastom brzine rastu struja rotora i indukcija, ali za ω = ωg struja rotora poprima takve iznose da indukcija dostiže zasićenje, pa statička karakteristika postaje nelinearna. Zbog toga se opterećenje bira tako da struja rotora bude 0,01– 0,02 A. Prelazni otpor četkica utiče na pojavu zone neosetljivosti, jer se pri malim brzinama generiše elektromotorna sila približno istog reda kao i pad napona na prelaznom otporu. Granice zone neosetljivosti određuju se kao ωmin = ΔUk/kmax , gde je ΔUk pad napona na kontaktima i kmax maksimalna vrednost koeficijenta pojačanja. Osim toga varničenje četkica može da predstavlja izvor radio smetnji. Uticaj temperature ogleda se u promeni otpora pobudnog kruga, a time se menja struja pobude i pobudni fluks. Preporučuje se upotreba tahogeneratora sa zasićenim magnetnim krugom, jer je tada statička karakteristika manje osetljiva na delovanje temperature. Njihova tipična tačnost je reda ± 1%, opseg 0 − 5 000 ob/min .

Slika 6. Naizmenični tahogeneratori Naizmenični tahogeneratori prave se kao sinhroni ili asinhroni tahogeneratori. U prvom slučaju to je jednofazni sinhroni motor sa rotorom od stalnog magneta. Promena ugaone brzine takvog rotora odražava se na promenu amplitude i frekvencije izlaznog napona. Mana ovog tahogeneratora je nelinearna statička karakteristika. Mnogo češće naizmenični tahogenerator pravi se kao dvofazni asinhroni motor. Kratko spojeni rotor izra|uje se u obliku šupljeg aluminijumskog kaveza. Na statoru se pod uglom od 90° nalaze pobudni i generatorski namotaji. Pobudni namotaj priključen je na naizmenični izvor frekvencije 50 ili 400 Hz, a sa generatorskog namotaja dobija se izlazni napon proporcionalan ugaonoj brzini. Kada rotor miruje, naizmenični magnetni fluks φpob normalan je na izlazni namotaj, te je u njemu elektromotorna sila jednaka nuli.

8

3. AKCELEROMEAR

Klasifikacija akcelerometara u klasičnom obliku je iskustvena i obično se provodi prema konstruktivnim osobinama akcelerometra (način pomeranja i način vešanja mase), prema tipu izlaznog signala (kontinualni, diskretni), prema tipu veze između merenog ubrzanja i izlaznog signala (prosti i integrirajući), prema načinu konverzije ubrzanja u izlazni signal (direktni i kompenzacioni) itd. Najčešće se klasifikacija vrši prema odnosu vlastite frekvencije akcelerometra i opsega frekventnog spektra merenog ubrzanja. U tom smislu razlikuju se: akcelerometri, koji imaju vlastitu frekvenciju iznad svih frekvencija u spektru merenog

ubrzanja; velosimetri, čija je vlastita frekvencija bliska frekvencijama koje su sadržane u spektru

merenog ubrzanja; vibrometri, čija je vlastita frekvencija manja od frekvencija koje su sadržane u spektru merenog

ubrzanja; rezonansni akcelerometri, koji imaju vlastitu frekvenciju jednaku osnovnoj frekvenciji merene

vibracije; polurezonantni akcelerometri, čija se vlastita frekvencija razlikuje od osnovne frekvencije

merenog ubrzanja za neki odre|eni iznos.

Kontaktni akcelerometar

Slika 7. Inercijalni akcelerometar

Slika 8. Akcelerometar sa toplim gasom

9

4. SENZORI UGAONE BRZINE

Centrifugalni senzor je mehanički uređaj. Njegov rad zasniva se na pojavi centrifugalne sile pri rotacionom kretanju. Na osnovu ovakvog senzora James Vat je 1784. godine napravio centrifugalni regulator brzine parne mašine. Ovaj datum smatra se datumom naučnog utemeljenja teorije automatskog upravljanja. Na rotirajućoj osovini centrifugalnog senzora je teret−kugle koje su pomoću zglobne veze i poluga povezane sa spojnicama. Jedna spojnica je fiksirana za osovinu, a druga se pomiče duž osovine. Između spojnica je sabijena opruga, koja teži da se izduži i da tako približi kugle osovini senzora. Na kuglama se zbog rotacije javlja centrifugalna sila Fc , a njena komponenta duž osovine Fos = kcω2 pomera pokretnu spojnicu dok se ne uravnoteži silom opruge Fo = kox :

Slika 9. Centrifugalni senzori Kretanje spojnice prenosi se na pokazni instrument sa kazaljkom ili na senzor linearnog pomeraja sa električnim izlazom. Linearizacija statičke karakteristike postiže se upotrebom nelinearne oprugečija je sila Fo = kx2 . Tipična tačnost centrifugalnih senzora je ±1 − 2%.

10

5. MAGNETNI SENZOR

Magnetni senzor ima stalni magnet na osovini čija se brzina meri. Na drugoj osovini, koja se nalazi na istom pravcu sa glavnom osovinom, učvršćen je cilindrični poklopac od nemagnetnog materijala zanemarljivog električnog otpora-najčešće je to aluminijum. Na istoj osovini je i mehanizam za pokazivanje, čija je opruga jednim krajem zavarena za osovinu, a drugim krajem za kućište 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 rotirajući moment u odnosu na osu poklopca.

Slika 10. Funkcionalna šema Slika 11. Magnetno polje

Slika 12. Lanac konverzija

11

6. RADARSKI SENZORI

Detekcija pokretnih objekata. Za izdvajanje pokretnih objekata iz mirujuće okoline upotrebljavaju se radari sa Doplerovim efektom. Zbog malih dimenzija ovakvi radari primenjuju se u detekciji brzine vozila u saobraćaju, u beskontaktnom merenju vibracija, u sistemima zaštite od provala, u automatskom praćenju (brojanju) elemenata na traci, u robotici, u merenju nivoa i u drugim oblastima.

Slika 13. Radarsko merenje brzine vozila u sabraćaju Principijelna struktura radara sastoji se iz stabilnog oscilatora mikrotalasa fiksne frekvencije u opsegu 1, 6 − 30 GHz (λ = 187 − 10 mm) , pojačivača snage i modulatora koji omogućavaju impulsni rad predajnika, tako da se pomoću antene emituju impulsi trajanja 10−20μs . Zadatak antenske skretnice je da između emisije dva uzastopna impulsa isključi predajnik, a uključi prijemnik. Prijemnik radi na bazi stepena za mešanje frekvencije zračenja f i frekvencije odjeka fp kako bi se dobila kvalitetna selekcija Doplerove frekvencije fD. Detekcija smera kretanja. Konvencionalni radari za kontrolu brzine vozila ne razlikuju dolazeći od odlazećeg vozila. Zbog toga je moguće da u trenutku kada vozilo prilazi nedozvoljenom brzinom u vidno polje radara ne bude detektovano jer ga pokriva bliž vozilo koje prolazi manjom brzinom pored radara u odlazećem smeru. Nova generacija radara može da bude fiksirana ili u pokretu, a detektuju i smer kretanja lociranih objekata (slika 16.25). Greška radarskog merenja brzine je manja od ±0, 1 km/h, opseg 1 − 480 km/h, vreme akvizicije 10 ms , maksimalni domet 1, 8 km Određivanje dometa. Ako je zračenje predajnika (transmitera) Pt izotropno, tada je gustina snage Pg W/m2] na rastojanju R jednaka odnosu transmitovane snage Pt i površine lopte poluprečnika R, odnosno: Pg = Pt / 4πR2 .

Slika 6.2 Radarski senzori

12

7. PIJEZOELEKTRIČNI KABL

Pijezoelektrični efekt (ijekavicom), odnosno piezoelektrični efekat (ekavicom) je pojava stvaranja električnog napona na krajevima pijezoelektričnog kristala pri mehaničkom pritisku na njega. Suprotan slučaj je kad se na kristal dovede spoljni napon — tada dolazi do njegove mehaničke deformacije.Postojanje pijezoelektričnog efekta otkrili su Žak i Pjer Kiri 1880. godine. Tipični predstavnici pijezoelektričnih kristala su kvarc, turmalin, i Rošelova so.

Upotreba Svojstvo pijezoelektričnih kristala našlo je široku upotrebu u mnogim granama tehnike, posebno u elektronici za izradu preciznih oscilatora visoko stabilnih frekvencija. Za upotrebu u te svrhe, pločice kristala se sijeku pod određenim uglovima (ose rezanja), glačaju, stavljaju među metalne elektrode, i zatvaraju u kućište. Primjenom pijezoelektričnih kristala u elektronskim oscilatorima digitalnih i analognih uređaja, postiže se preciznost reda milionitog dijela herca, dok se običnim oscilatornim kolima postiže samo oko 10 hiljaditih dijelova herca. Dodatna stabilnost se postiže ugradnjom pijezoelektričnih kristala u termostate. Uz to, široka primjena pijezoelektričnih efekta i kristala je i u elektroakustici, za izradu mikrofona, slušalica, detektora ultrazvuka i raznih ultrazvučnih pretvarača. Pijezoelektrični efekat takođe ima primenu kod merenja mehaničkih veličina. Najviše se koristi kod akcelerometara (davači ubrzanja), davača sile i davača pritiska.

Slika 14. pizoelektrični kabl

13

8. Holov senzor

Holov efekt otkriven je još 1879. godine. Njegova praktična primena postaje sve izrazitija zahvaljujući postojanju odgovarajućih poluprovodničkih materijala. Isto kao magnetorezistivni senzori, senzori na bazi Holovog efekta spadaju u red specijalnih elektromagnetnih senzora. Holov efekat nastaje kada se poluprovodnik kroz koji teče struja unese u magnetno polje.

Slika 15. Holov senzor Ako se poluprovodnička pločica nalazi u fiksiranom položaju normalno namagnetno polje indukcije B i ako kroz pločicu protiče struja I (slika 15), tada na nosioce elektriciteta deluje Lorencova sila normalna na smerstruje i indukcije.

Gde je vektor VS srednja brzina drifta nosilaca naelektrisanja, usled podužnog električnog polja E, koje stvara struju I u pločici. Tipična vrednost Holovog napona je reda mV, a vrednost izlaznog otpora je od nekoliko oma do nekoliko stotina oma. Veliku Holovu konstantu imaju materijali sa: malom koncentracijom i velikom pokretljivošću nosilaca naelektrisanja, kao i sa malom specifičnom provodnošću. Ove zahteve ispunjavaju poluprovodnički materijali: silicijum, indijum arsenid (InAs) i indijum arsenid fosfid (InAsP). Kada u poluprovodničkoj pločici postoje dve vrste nosilaca, elektroni i šupljine, Holova konstanta je data izrazom:

gde su μn i μp pokretljivosti elektrona i šupljina, a n i p odgovarajuće koncentracije. Određivanjem veličine i znaka Holove konstante, utvrđuje se tip poluprovodnika i izračunava koncentracija nosilaca nepoznatog poluprovodničkog materijala.

14

Slika 16. Holov senzor

Slika 17. Holova pločica

15

8.1 Tipovi Holovih senzora

Na slici 17. prikazani su neki od oblika Holovih pločica. Analiza pokazuje da različita geometrija ne utiče bitno na karakteristike senzora. Međutim, neki od oblika imaju prednosti u jednostavnijoj tehnologiji proizvodnje. Pri proizvodnji Holovih senzora fotolitografskim postupkom, jednostavnije se postavljaju elektrode kod pločica oblika krsta (sl. 18. b) nego kod standardnih pravougaonih pločica (sl.18.a).

Slika 18. Tipovi Holovih pločica: a) pravougaona pločica, b) pločica u obliku krsta, c) leptirasta pločica, d) senzor sa feritnim magnetskim kolom Holovi senzori mehaničkih veličina. Holovi senzori se koriste za merenje pomeraja sa kojima se utiče na promenu jačine ili pravca magnetne indukcije. Holovim senzorima se mere i druge veličine koje se elastičnim elementima pretvaraju u proporcionalno pomeranje (sila, pritisak, ubrzanje, itd.). Na slici 19. prikazana je primena Holovih senzora za merenje, odnosno detekciju pomeraja.

16

Slika 19. Merenje pomeraja Holovim senzorima: a) magnet se pomera normalno na pločicu, b) i c) magnet se kreće paralelno sa pločicom Senzorski sistem se sastoji od stalnog magneta pričvršćenog na pokretni objekat i nepokretnog Holovog senzora. Na slici 19. prikazane su različite kombinacije odnosa pokretnog objekta i Holovog senzora. Holovi senzori se koriste i za merenje ugaone brzine i ugaonog pomeraja (npr. zupčanika). Tu se javlja problem određivanja smera rotacije, zbog čega se koriste dva Holova senzora. Oni se postavljaju na rastojanju od četvrtine koraka zupčanika. Tako se dobijaju izlazni impulsi, nakon uobličavanja signala, koji su fazno pomereni za 90º. Ovi signali se vode na logička kola koja detektuju fazni stav. Pri jednom smeru kretanja fazno prednjači jedna, a pri promeni smera druga povorka impulsa, što omogućuje detekciju smera. Integrisani Holovi senzori. Integrisani Holovi senzori sadrže Holovu pločicu i elektronska kola za pojačanje i prilagođenje izlaznog signala. Koriste se dve vrste tehnologija integracije: hibridna tehnologija tehnologija monolitnih integrisanih kola. Hibridna tehnologija ima kao nedostatak dugotrajan proces završne obrade pojedinačnih uzoraka. Tehnologija monolitnih integrisanih kola omogućuje brži i time jeftiniji postupak proizvodnje celokupnog senzora. Za proizvodnju monolitnih integrisanih kola sa Holovim senzorom, najpogodniji materijali su silicijum i galijum arsenid (GaAs). Oni omogućavaju konstrukciju integrisanog kola sa malom disipacijom i potrošnjom struje. Ovi materijali su dobri u pogledu temperaturske stabilnosti, šuma i kompatibilnosti sa aktivnim elementima kola. Postoje dva tipa integrisanih Holovih senzora: linearni impulsni Na slici 20. prikazana je blok šema linearnog senzora. Oni daju izlazni signal koji je linearno srazmeran magnetskoj indukciji B. Senzor ima tri priključka od kojih dva služe za napajanje, dok se na trećem dobija izlazni signal. Pored Holove pločice, linearni senzori sadrže i stabilizator za napajanje, i pojačavač izlaznog napona.

17

Slika 20. Blok šema integrisanog linearnog Holovog senzora Impulsni integrisani Holov senzor, prikazan na slici 21., ima strukturu kao i linearni senzor, s tim što je izlazni stepen Šmitovo okidno kolo. Izlazni signal ima dva naponska stanja, visoko i nisko. Pri indukciji manjoj od donjeg praga komparacije (obično nekoliko mT), izlazni nivo je nizak. Kada normalna komponenta indukcije postane veća od gornjeg praga komparacije, izlazni signal skokovito prelazi na visok nivo. Ovo važi kada je Šmitovo kolo neinvertujući komparator sa histerezisom.

Slika 21. Blok šema integrisanog impulsnog Holovog senzora Savremeni Holovi senzori i njihova primena. Posmatrani su novi tipovi integrisanih Holovih senzora Švajcarske firme Sentron. Ovi senzori su kombinacija Holovih senzora CMOS ASIC i Integrated Magnetic Concentrator (IMC-Hall). Ti senzori su osetljivi na magnetno polje paralelno sa površinom čipa, za razliku od konvencionalnih Holovih senzora, koji mere samo komponentu magnetnog polja normalnu na površinu senzora. Kao i kod konvencionalnih primena magnetnih senzora, IMC senzor se koristi kao pasivni magnetski pojačavač. Struktura IMC senzora je planarna i može se integrisati direktno na CMOS vejfer. To omogućuje integraciju čitavog senzorskog sistema na jednom čipu, pri čemu se značajno poboljšavaju performanse senzora i otvaraju nove mogućnosti merenja. Na slici 6. prikazan je jedan deo od nekoliko hiljada IMC-ova, koji se nalaze na CMOS silicijumskom vejferu koji sadrži čipove sa Holovim elementima i elektronskim kolima. Nanošenje feromagnetskog sloja je obavljeno jeftinim post procesom pogodnim za masovnu proizvodnju.

Slika 22. IMC struktura

18

9. LITERATURA

1.) http://infoteh.etf.unssa.rs.ba/zbornik/2014/radovi/STS/STS-2.pdf 2.) https://sh.wikipedia.org/wiki/Brzina 3.) http://lms.fe.uni-lj.si/amon/literatura/SA/9peS.pdf 4.)http://studenti.rs/skripte/fizicko-tehnicka-merenja-piezoelektricni-pretvaraci-i-impulsni-ultrazvucni-defektoskop/ 5.)https://www.google.rs/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&ved=0ahUKEwjG_8PyqIfMAhWBC5oKHU16C0gQFgggMAE&url=http%3A%2F%2Fwww.viser.edu.rs%2Fdownload.php%3Fid%3D15315&usg=AFQjCNFxjS3nV6AX-cZYSh4OEnY8GyJ0VA&sig2=NL2XUG7IKaa2SAk8SAIqqw&bvm=bv.119028448,d.bGs&cad=rja 6.) http://unze.ba/download/SkriptaMetrologija.pdf 7.) Senzori i merenja dr. Mladen Popovic (Knjiga)