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.