mjerenje brzine

Embed Size (px)

Citation preview

  • SENZORI

    Dr.sc.Vlado Madarevi, redovni profesorDr.sc.Nerdina Mehinovi, docentPredavanje 08.04.2010.

  • Mjerenje pozicije i brzine

    Mjerenje duine/pozicije potrebno je u svim granama tehnikeNa tanost tog mjerenja esto se postavljaju veoma strogi zahtjevi. Opseg u kome se duina mjeri je veoma irok : od 10-15m do 1027m.

    Osnovna jedinica za mjerenje duine je metar Jedan metar 1m je put kojeg u vakuumu pree svjetlost za 1/299792458 s.Tehnika mjerenja duine najvie se provode u mainstvu, robotici, komadnoj proizvodnji itd.

    LINEARNI POMJERAJ je promjena duine izmeu dvije take koje lee na istoj liniji.

    UGAONI POMJERAJ je promjena ugaonog poloaja tijela koje rotira oko odabrane ose.

    APSOLUTNO MJERENJE DUINE je mjerenje ukupne duine nekog objekta.

    RELATIVNO MJERENJE DUINE je mjerenje promjene neke odabrane duine

  • Metode mjerenja duine se mogu klasificirati kao:

    Mehanike koriste se za mjerenje u opsegu 10-4 102 m

    Elektrine baziraju se na konverziji pomjeranja u neki elektrini parametar, pri emu se za konverziju koristi odgovarajui senzor; U lancu konverzija pomjeraj moe prvo da se pretvori u neku drugu fizikalnu veliinu, koja onda djeluje na promjenu elektrinih parametara.Kao senzorski elementi koriste se: potenciometri, induktivni, tenzootporni, kapacitivni, piezoelektrini i optoelektrini pretvarai; opseg mjerenja koje mjere su 10-10 102m

    Radijacione (spektrometarske, talasne) metode mjerenja pomjeraja zasnivaju se na promjeni elektromagnetnog i akustinog zraenja koje se javlja na granici izmeu prenosnog medija i mjerenog tijela. Promjena zraenja na ovoj granici nastaje zbog razliitih fizikalnih osobina prenosnog medija i materijala od kojih je napravljeno tijelo. Prema talasnoj duini zraenja industrijski senzori dijele se na akustine (zvune I ultrazvune), optike (laserske) i nuklearne (rendgenske i radioaktivne).

    esto se nazivaju prema fizikalnoj pojavi vezanoj za zraenje: lokacione, interferometarske, refraktometarske, holografske, doplerske i dr.Koriste se za mjerenje pomjeranja do 10-9m do 1020m

  • SENZORI LINEARNOG POMJERAJA- Potenciometarski- Induktivni Kapacitivni

    Potenciometarski senzori

    Otporniki potenciometarski senzor linearnog pomjeraja zbog jednostavnostii dobrih karakteristika mnogo se primjenjuje u tehnikoj praksi.

    Potenciometri se proizvode u irokoj paleti raznih tipova i izvedbiPostoje tipovi koji su optimizirani za odredjene primjene

    Za mjerenje pozicije /pomaka koriste se visoko kvalitetni precizni potenciometri koji su projektovani tako da im je radni vijek veoma dug- velik im je broj radnih ciklusa

  • Tipovi preciznih potenciometara -linearni - izvode se sa hodom klizaa od 5mm do 4m - rotacioni - izvode se kao jednoobrtni ili vieobrtni ( 3 , 5 ili max. 10 obrtaja )

  • Osnovne karakteristike potenciometara

    Prednosti Slabe strane Jednostavnost primjene Ogranien propusni opsegNiska cijena Otpor trenja Nije im neophodna elektronika Masa nije zanemariva Provjerena tehnologija Habanje Pri izboru potenciometara vani parametri o kojim treba voditi rauna su:

    - Temperaturni opseg rada , max od (-65 do 150) C - Maksimalni dozvoljeni nivo vibracija i ubrzanja -Meksimalna dozvoljena vlanost

  • Izvedbe otpornog elementaianiizradjuju u formi zavojnice gusto namotane na tijelo izradjeno od izolatoraSlojni sadre sloj provodnog materijala nanesenog na izolatoriani potenciometri dobra temperaturna stabilnost disipiraju veu snagu od slojnih napon se mijenja skokovito rezolucija zavisi od broja i gustine navoja. ako se ne zahtijeva veoma dobra rezolucija ovi potenciometri su pogodno rjeenje.Slojni potenciometri sadre tanki sloj provodne plastike trenje je malo rezolucija teoretski nula dug radni vijek. osjetljivi na promjene temparature disipiraju znatno manju nego iani potenciometri. I pored ovih nedostataka , za veinu primjena kod kojih se trai precizno mjerenje oni su veoma dobro rjeenje.Hibridni potenciometar - kombinacija ianog i potenciometra na bazi provodne plastike, sadre prednosti oba rjeenja

  • Neka je :L ukupna duina potenc.Ro ukupni otpor Rm otpor mjernog krugaX rastojanje klizaa od jednog kraja Napon voltmetra Uo(x) iznosi :Primjenjuje se za mjerenje otpora senzora na bliskim rastojanjima. Senzor ima oblik potenciometra, pogodan za mjerenje mehanikih veliina. Potenciometar se prikljui na izvor napona, a izlazni signal se mjeri izmeu klizaa i jednog kraja voltmetra unutr. Otpora Rm.. R0RmE

  • Za q
  • Relativna grekaMaksimum relativne greke je na polovini opsega , xr =1/2Zavisnost napona potenciometra od relativnog pomjeranja xr za razlicite vrijednosti otpora mjernog kruga Rm Nelinearnost se moe popraviti:-dodavanjem otpora redno i paralelno sa R0 i Rm uz odgovarajui izbor vrijednosti tih otpora-nehomogenim namotavanjem potenciometra

  • Struna-senzor sastoji se od zategnute ice kao mehanikog vibrirajuegelementa ija se prirodna frekvencija oscilovanja mijenja u zavisnosti od deformacijeice l . Deformacija nastaje zbog pomjeranja tijela. Iz generatora se dovede impuls na elektromagnet, koji privue strunu i onda je prepusti vlastitim oscilacijamaSenzor sa vibrirajuom icom: a) konstrukcija, b) sonda sa jednim i vie senzora

  • Mjerei frekvenciju f mjerimo deformaciju ice - pomjeranje l. Mjerenje pomjeranja, odnosno deformacije se vri na dva naina:pojedinanim okidanjem pobuivanjem icekoritenjem oscilatora koji djeluje na frekvenciji jednakoj rezonantnoj frekvenciji ice; pri tome se koristi ica od feromagnetnog materijala

    Koristei Hookeov zakon dobijamo Mjerei frekvenciju f mjerimo deformaciju ice - pomjeranje l.gustina materijala ice ; l duina ice normalni napon u ici ; F sila zatezanjaRezonantna frekvencija ice koja osciluje kao polutalasni rezonator:

  • Promjena frekvencije prati se pomou indukcionog senzora u kojem se zbogkretanja strune izmeu navoja i stalnog magneta mijenja magnetni otpor, te se indukujeodgovarajui naizmjenini napon. Prikljuivanjem na pretvara frekvencija struja dobija se signal pogodan za slanje na vee udaljenosti. Blok sa funkcijom kvadriranja (mnoa) neophodan je da bi se izdvojila informacija o l.

    Osnovna namjena struna-senzora je distanciono mjerenje pomjeraja, sile,momenta, ugla, pritiska i temperature u sloenim uslovima.

    Zbog visoke pouzdanosti i zanemarljivog drifta primjenjuje se za mjerenje geomehanikih i strukturnih deformacija.

    Na primjer, za praenje deformacija u svodu tunela koristi se ekstenzometar sa vie struna . Senzori kod kojih se struna pobuuje povremeno slue za statika merenja, a oni sa stalnim pobuivanjem strune namjenjeni su za dinamika mjerenja.

    Prirodna frekvencija strune je 700 1 000 Hz , a na krajevima deluje sila, 40 100N. Tanost senzora je 0, 025% na opsegu 60 100 mm.

  • Mjerenje pomjeranja pomou induktivnih pretvaraa Princip rada induktivnih pretvaraa promjena induktiviteta zavojnice zbog promjene geometrijske konfiguracije magnetnog kola, odnosno zbog promjene reluktansepromjena meuinduktivnosti dvije zavojnice zbog promjene permeabilnosti ili geometrijskih karakteristika magnetnog kolaPomjeranje kotve mijenja zrani procijep d, a time i induktivitet L zavojnice. Afe - popreni presjek jezgre, lm srednja duina magnetnih linija r relativna permeabilnost Induktivitet kalema L jednak:Zavisnost L=L(d) je izrazito nelinearna. Na kotvu djeluje sila F, i tei da izazove nekontrolisano pomjeranje kotve.Induktivitet, a time i pomjeranje d, se mjeri pomou naizmjeninog mosta.Osnovni nedostatak ovog pretvaraa je izrazita nelinearnost.

  • Poboljano rjeenje je diferencijalni induktivni pretvaraVea osjetljivostDaleko manja nelinearnost Manji uticaj temparatureKompanzirano djelovanje sile kotve Diferencijalni induktivni pretvara za mjerenje malih pomjeranjaL1 i L2 su vezani u most. Ako se zanemare omski otpori zavojnica tada je napon Ui na izlazu mosta

  • Izlazni napon je linearna funkcija pomjeranja. Sile koje djeluju na kotvu se meusobno ponitavaju. Izlazni signal je kontinualna funkcija pomjeranja.Rezolucija i osjetljivost zavise u osnovi od rezolucije i osjetljivosti voltmetra. Diferencijalni induktivni pretvaraiKoriste se za mjerenje veih pomjeranja (1-50 cm) d0 , poraste L2d=0; L1=L2.Za mala pomjeranja zavisnost induktiviteta od pomjeranja d je priblino linearna.Amplituda napona napajanja je 5 do 30V, frekvencija 50 Hz do 10 kHz.Osjetljivost raste sa frekvencijom ali rastu i gubici zbog vrtl. struja.Pri prolasku d kroz nulu faza napona mijenja se skokovito za 180 stepeni .Da bi se mogao odrediti smjer kretanja treba koristiti fazno osjetljivi ispravlja

  • .Talasni oblici na izlazu sekundara i izlazni napon Ui a) u ravnotei b) pomjeranje ulijevo c) pomjeranje udesnoZavisnost amplitude izlaznog napona Uim od pomjeranja x je oblika: Uim=k1|x|(1-k2(x)2) k1 i k2 su konstante koje zavise od geometrijskih parametara sekundarnih namotaja; broja navojaka, frekvencije i struje primara.

  • Senzori pomeraja na bazi tenzoelemenata zasnivaju svoj rad na promjeniotpora zbog deformacije. Primenjuju se za mjerenje malih pomjeraja (0 50 m) koji nastaju kao rezultat primarnog pretvaranja u instrumentima za mjerenje nivoa, pritiska, sile, momenta itd. Tanost je do 0,15% opsega. ivotni vijek ovih senzora ogranien je obino na 30 miliona reverzibilnih ciklusa iz mehaniki nenapregnutog u napregnuto stanje.senzor sa tenzoelementom za praenje veih pomjeraja,

  • Pneumatski pojaava sa prigunicom i zastavicom predstavlja senzor kojipretvara mehaniki pomjeraj u pneumatski signal. Pomino tijelo spojenoje sa zastavicom, koja se pomjera u intervalu 0 < x d/4 . mjerni opseg je 0, 05mm, a rezolucija 0, 01 m. Fluid napojnog pritiska pn = (0, 1 0, 25) MPa tee kroz fiksnu prigunicu i istie kroz mlaznicu prenika d u zavisnosti od poloaja zastavice. Informacioni signal je pritisak pi u mjernoj komori. Statika karakteristika pi = f(x) je nelinearna i inverzna, ali je na radnom dijelu linearna. Senzor se ponaa kao aperiodski blok prvog reda sa vremenskom konstantom T = 0, 01 0, 1 s .senzor na bazi pneumatskog pojaavaa

  • Pijezoelektrini senzori, mjere dinamike promjene. Na oblogama pijezoelektrinog senzora javlja se naboj proporcionalan mehanikoj deformaciji, nastaloj kao rezultat djelovanja neke promjenljive sile. -slini su struna-senzoru ( struna i elektromagneti zamenjeni bimorfnim pijezoelektrinim elementom)Pijezoelektrini senzor za mjerenje vibracija: a) osnovna ema, b) statika karakteristikaDjelovanje sile prenosi se na sredinju elektrodu koja je uvrena na svojimkrajevima. U zavisnosti od promjene sile, tj. deformacije, mijenja se koeficijent krutosti elastinog sistema, a time i frekvencija oscilacija. Prirodna frekvencija moe se odrediti i analitiki iz prenosne funkcije senzora. Zbog sloenosti prorauna zavisnost frekvencije od sile esto se odreuje eksperimentalno. Statika karakteristika je linearna do granine vrijednosti sile, da bi potom postala nelinearna.

  • Mjerenje brzineTranslatorna i ugaona brzina se mjere u irokom opsegu; 0-15103 m/s i 0 2104 rad/s. Pretvara za mjerenje linearne, ( translatorne) brzinegdje je :e - indukovani naponal - duina ice zavojnicev- translatorna brzina u odnosu na magnetOpsezi pomjeranja su od 12 do 600mmOsjetljivost od (20 do 600) mVsec/cm Ubrzanje je neophodan parametar u sistemima upravljanja kretanjem centramase pokretnih objekata (aviona, raketa, brodova, podmornica, brzih vozova i dr.) i usistemima inercijalne navigacije. Senzori za mjerenje ubrzanja - akcelerometri.

  • Translatorna brzina se esto mjeri tako to se koritenjem odgovarajueg mehanizma pretvori u ugaonu. Senzor ugaone brzine je tahometar

    Klasifikacija tahometara

    tipu konverzije energije

    mehaniki imaju samo mehanike elemente za pretvaranje, a to su centrifugalni, frikcioni, hidrauliki i pneumatski tahometrimagnetni kod kojih je primarni element indukcioni pretvaraelektromehaniki sadre elektromehanike pretvarae; tahometarski generatori i tahometri sa brojanjem impulsa

    metodi mjerenjakontaktniBeskontaktni

    Po nainu primjene stacionarni i prenosivi tahometri.

  • Principi gradnje senzora brzine i ubrzanja. Osnovni element senzora brzine i ubrzanja je diferencijator, koji omoguava automatsku konverziju mjerene ulazne veliine u izlazni signal proporcionalan izvodu te veliine.- pomou diferenciranja ili integriranja ulazne veliine mogu se odreditibrzina i ubrzanje te veliine Struktura senzora brzine i ubrzanja - etiri osnovna bloka u serijskoj vezi: ulaznog pretvaraa, integrodiferencirajueg bloka, izlaznog pretvaraa i bloka za indikaciju izlaza Zadatak ulaznog i izlaznog pretvaraa je da omogui normiranje i usaglaavanjesignala sa integrodiferencirajuim blokom.

  • SENZORI UGAONE BRZINECentrifugalni senzor je mehaniki ureaj. Njegov rad zasniva se na pojavicentrifugalne sile pri rotacionom kretanju. Na osnovu ovakvog senzora J. Vat je1784. napravio centrifugalni regulator brzine parne maine. Ovaj datum smatra se datumom naunog utemeljenja teorije automatskog upravljanja.Centrifugalni senzor: a) konstrukcija, b) primjena na parnoj maini

  • Na rotirajuoj osovini centrifugalnog senzora je teret kugle koje supomou zglobne veze i poluga povezane sa spojnicama. Jedna spojnica je fiksirana za osovinu, a druga se pomie du osovine. Izmeu spojnica je sabijena opruga, koja tei da se izdui i da tako priblii kugle osovini senzora. Na kuglama se zbog rotacije javlja centrifugalna sila Fc , a njena komponenta du osovine Fos = kc 2 pomjera pokretnu spojnicu dok se ne uravnotei silom opruge Fo = kox :Kretanje spojnice prenosi se na pokazni instrument sa kazaljkom ili na senzor linearnog pomjeraja sa elektrinim izlazom.

  • Senzori sa satnim mehanizmom (hronometarski tahometri),

    rade na principu mjerenja broja obrtaja u toku odreenog perioda vremena. Prema tome, oni ne mjere trenutnu vrijednost ugaone brzine, ve srednju vrednost. Zato se ovi senzori nazivaju i tahometri srednje brzine ili tahoskopi. Ako je trenutna brzina osovine = (t) , srednja brzina srgde je n broj obrtaja osovine u toku vremena T. Senzori srednje brzine imaju tri bitne konstruktivne celine: satni mehanizam, broja obrtaja i ureaj za startanje i resetovanje.

    Glavna svojstva tahoskopa su jednostavnost izrade, visoka pouzdanost i relativno visoka tanost (1%). Veliku primjenu imaju u vozilima.

  • Magnetni senzor ima stalni magnet na osovini ija se brzina mjeri. Na drugoj osovini, koja se nalazi na istom pravcu sa glavnom osovinom, uvren jecilindrini poklopac od nemagnetnog materijala zanemarljivog elektrinog otpora -Al Na istoj osovini je i mehanizam za pokazivanje, ija je opruga jednim krajem zavarena za osovinu, a drugim krajem za kuite senzoraMagnetni senzor: a) funkcionalna ema, b) magnetno polje, c) lanac konverzija

  • Pri okretanju glavne osovine magnetne silnice stalnog magneta presjecajupoklopac, pa se u njemu indukuje elektromotorna sila i javljaju vihorne struje.Uzajamno delovanje magnetnog polja vihornih struja i polja stalnog magneta stvararotirajui moment u odnosu na osu poklopca. Ovaj moment zakree poklopac, u istom smjeru u kojem se okree stalni magnet, sve dok se ne uspostavi stanje ravnotee sa protivdjelujuim momentom opruge:gde su BIl magnetna sila na poklopac [N], D prenik magneta [m], 2p broj paripolova magneta, B magnetna indukcija [T], l duina cilindra (konture), I struja pridjelovanjem jednog para polova [A], ugao zakretanja poklopca [o ], E Jangovmodul elastinosti [Pa], te b, h i L irina, debljina i duina opruge [m].Struja I odreuje segde je mjerena ugaona brzina.

  • Istosmjerni tahometar je istosmjerni motor malih dimenzija koji radi u generatorskom reimu. EMS generatora E zavisi od pobudnog fluksa i brzine obrtanja .Struja u kolu rotora je:Rr unutranji otpor generatora Rl otpor optereenja.Izlazni napon tahogeneratora:Koeficijent statikog prenosa k ima vrijednost 3-100 mV/ob/min.Tanost tahogen. je tipino 1%, opseg brzine do 5000 ob/min.

    pobudno kolo sa stalnim magnetom nezavisno pobudno koloPrenosna f-aInduktivitet rotorskog kruga Lr i induktivitet tereta Ll je veoma mali te se tahogenerator moe tretirati kao blok nultog reda.

  • Elektromagnetni (reluktantni) senzori ugaone brzine rade na principupromjene otpornosti magnetnog kola usled prolaska eljeznih zubaca diska koji jemontiran na rotirajuu osovinu. To su indukcioni ili induktivni senzori, sa mnogobrojnim varijacijama u konstrukciji.

    Indukcioni senzori ugaone brzine sastoje se iz dva dijela:

    I dio je u obliku diska sa zupcima postavljen na osovinu.

    U neposrednoj blizini rotirajueg dijela, na rastojanju oko 0,5 mm, fiksiran je indukcioni detektor pomjeraja. Svojom magnetopobudnom silom M stalni magnet stvara magnetni fluks = M/Rm .

    Primicanjem zupca na zupaniku smanjuje se magnetni otpor , raste magnetni fluks.

    Odmicanjem zupca stvara se suprotni efekat, tj. mijenja se (t), odnosno indukuje e = d/ dt

    Amplituda i frekvencija izlaznog napona proporcionalne su ugaonoj brzini.

    Ako je izlazna informacija amplituda, za oitanje primjenjuje se voltmetar, a u drugom sluaju frekvencmetar.

  • Elektromagnetni senzor sa promjenjivom magnetnom reluktansomFluks u magnetnom krugu iznosi

    =MMS/R.

    Ulaneni fluks :Reluktansa se periodino mijenja sa promjenom ugla , ako je ta promjena po sinusoidalnom zakonu tada se ulaneni fluks mijenja po zakonu:

    ()=a+b cosm,

    gdje je a srednji fluks, b amplituda fluksa, a m broj zubaca.

  • Generisana EMS jednaka je:Brzina obrtanja r moese mjeriti:

    - mjerenjem amplitude, --mjerenjem frekvencije.

    Zbog vee tanosti i bolje pouzdanosti preferira se mjerenje frekvencije.

    Prednosti ovog senzora su :Jednostavanost, niska cijena i pouzdanost.

    Nedostatak mu je nagli pad amplitude na niskim brzinama obrtanja

  • Elektromagnetni indukcioni senzor ugaone brzine: a) principijelna ema, b) vremenska promjena magnetnog fluksa, c) promjena izlaznog napona sa brzinom vrtnje

  • Elektromagnetni reluktantni senzor transformatorskog tipa: a) principijelna izvedba,b) oblik izlaznog naponaNa primar se dovodi naizmjenini napon napajanja visoke frekvencije, a na sekundaru se dobija izlazni napon. Sa prolaskom zupca na zupaniku, mijenjaju se otpormagnetnog kola i amplituda izlaznog napona.

  • Stroboskopski senzor ugaone brzine radi na principu stroboskopskog efekta,tj. na prividnom zaustavljanju rotirajue osovine kada se ona osvjetljava impulsimasvjetlosti ija je frekvencija jednaka frekvenciji vrtnje osovine. Na primer, osovina koja rotira brzinom 1500 obrtaja u minuti prividno e da stoji ako je posmatramo na svjetlosti koja bljeska uniformno sa 1500 bljeskova u minuti. Ako svjetlost ima 1501 bljesak osovina kao da rotira unazad za 1 obrtaj u minuti. Isti efekat primjeuje se i kada je frekvencija vrtnje osovine vea i puta odfrekvencije impulsa svjetlosti fs , tj. kada je f = i fs . (i = 1 sinhronizam)Stroboskop: a) mjerenje sa stroboskopom, b) izgled stroboskopa

  • Magnetorezistivni senzor ema sa dva magnetorezistora omoguava i detekciju smjera vrtnje. Nailaskom zubaca od feromagnetnog materijala mijenja se magnetno polje u kojem se nalazi senzor, tako da se na izlazu dobija odgovarajui naponski impuls. Izvedba sa dva magnetorezistora na rastojanju od 1/2 irine zupca omoguava da se odredi smjer kretanja.

    Napomena Kada se jezgro pomjeri ulijevo poraste meuinduktivitet primar-S1, a opadne meuinduktivitet primar-S2, pa amplituda Us1 poraste, a Us2 opadne. Pri pomjeranju jezgra udesno opadne Us1, a poraste Us2. Za mala pomjeranja znatno manja od duine jezgra izlazni napon je linearna funkcija pomjeranja.