Univerzitet u BeograduPoljoprivredni fakultet

Studijski program: Prehrambena tehnologijaModul: Mikrobiologija hranePredmet: Fiziko-tehnika merenja

SEMINARSKI RADTema:Senzori sile i momenta

Predmetni profesor: Student:Dr.Vuki ukan Meli Sead Doc.dr.Branko Radievi MH14/902

Zemun.2015.

Sadraj:Sadraj

Uvod

Fizikalna osnova mernja sile i momenta

Problemi mernja sile

estokomponentno merenje sile

Principi graenja senzora sile i momenta

Principi graenja senzora sile i momenta

Struktura senzora

Senzori sile

Otpornike merne trake

Senzori momenta

Dinamometarski metoda merenja

Beskontaktni senzori momenta

Digitalni senzori momenta

Zakljuak

Literatura

1

UVOD:

Senzor je ureaj koji meri fizike veliine i konvertuje ih u signal itljiv posmatri i/ili instrumentu.Senzori imaju iroku primenu u svakodnevnom ivotu:kod ekrana osetljivih na dodir,kod vrata i elevatora u javnim objektima,kod osvetljenja i alarma i mnogih drugih ureaja:automobila,aviona,medicinskih ureaja,robota,industrijskih maina i drugde..Indikator senzora pokazuje promene izlaznih veliina u odnosu na merene veliine.Senzori koji mere precizne veliine zahtevaju vecu osetljivost.Tehnoloki napredak omoguio je izradu senzora sa detaljima mikrometarskih dimenzija.Oni koriste MEMS tehnologiju i nazivaju se mikrosenzori.Senzori su vrsta konvertora(pretvaraa),oni jednu fiziku veliinu pretvaraju u drugu. Informaciju o stanjima ispitivanog procesa senzori generiu na osnovunjihove interakcije sa procesom,tako to reaguju na ta stanja i tu reakciju transformiu u izlazni signal.Postoji veliki broj fizikalnih pojava i efekata,naina transformacije ,svojstva procesa,kao i metoda konverzije energije koji se mogu primeniti pri gradnji senzora.Zahvaljujuci razvoju tehnologije,primeni novih materijala i mikroprocesora,danas se u tehnici senzora primenjuju i sofisticirani fizikalni fenomeni, za koje se do nedavno cinilo da imaju samo teorijski znaaj.

2

Fizikalna osnova merenja sile i momenta

Sila je jedna od osnovnih veliina u mehanici.U skladu sa drugim Njutnovim zakonom ,sila F se definie kao proizvod mase m i ubrzanja a :F=maAko je masa poznata sila se prema jednaini odreuje merenjem ubrzanja.Metode merenja na ovoj osnovi nazivaju se akcelertometarske metode a odgovarajui senzori sile su ,u sutini akcelerometri.

Sila zemljine tee jeste sila koja nastaje delovanjem ubrzanja zemljine tee g:G=mgUvek je usmerena pema centru mase zemlje.Mernje sile Zemljine tee pri poznatom g svodi se na mernje mase.Metode merenja sile primenom gravitacionog zakona nazivaju se metode balansa,jer se nepoznata sila direktno ili indirektno poredi sa gravitacionom silom.Odgovarajui senzori sile su vage.

Deformacija tela delovanjem sile definie se na osnovu Hukovog zakona F=cl

Gde je c krutost tela a l deformacija tela,ako je poznat koeficijent krutosti onda je moguce odrediti silu mernjem deformacije.Najvei broj senzora sile radi na ovom principu.Mernje sile merenjem deformacije realizuje se na jedan od naina :Meri se povrsinka deformacija tela ili deformacija elastinog elementa u senzoru.Elastini elementi mogu biti opruge,prstenovi,cilindri itd.Elastini senzori sile po ovoj metodi su zapravo senzori pomeraja.

Mere se parametri ili svojstva elasticnog elementa u senzoru koji se menjaju pod uticajem sile..Takvi parametri su elektrini i magnetni otpor,frkvencija vlastitih oscilacija i drugi.A senzori sile oznaavaju se kao pijezoelektrini,magnetootporni itd.

Mere se svojstva tela koja se menjaju delovanjem sile.Takve osobine su: brzina prostiranja zvuka,provodljivosti toplote,elektrini i magnetni otpor.Ovi senzori su za detekciju mehanikog naprezanja.

3

Problemi merenja sile

Sila se meri u irokom opsegu od 0-1000000000 N,pri dinamikim promenama od 0-100 kHz,u temperaturnom intervalu -270 C do 1200 C ,u razliitim sredinama i pod delovanjem raznovrsnih smetnji.etri su glavna problema koja treba reiti u toku gradnje senzora sile :

Prvi problem odnosi se na tanost ,budui da se merenje sile u pravilu mora provoditi sa tanou koja je vea nego kod mernja drugih veliina.U tehnikim merenjima zahteva se tanost od 1-2% dok se u automatizovanoj proizvodnji i robotici zahteva tanost od 0,1-0,2%.Ovo uslonjava gradnju senzora kako umetodsko-teorijskom tako i praktinom pogledu.

Drugi problem jeste sto je sila vektorska veliina a senzor na izlazu daje skalarnu veliinu.

Trei problemje ogranienost mehanikih naprezanja u realnom materijalu.Uvek se smatra da sila deluje u jednoj taki,ali kako realni materijali mogu izdrati samo ograniena naprezanja,kod merenja sile moraju se definisati odreeni segmenti povrine na kojima deluje ista sila.U praksi se meri sila, mada se u sutini radi o polju sila.

etvrti problem se odnosi na pojavu da se senzor sile ponaa na jedan nain kada je sam ,a na drugi nain kada je ugraen u neki sloeni merni sistem.

4

estokomponentno merernje sile

Pod estokomponentnim merenjem sile podrazumevamo, zapravo, merenje vektora sile F koji sadri tri skalarne komponente i istovremeno merenje vektorskog momenta M koji takoe sadri tri skalarne komponente. Dakle, radi se o silama du tri ose i momentima oko te tri ose. Tako dolazimo do estokomponentnog vektora koji emo oznaavati sa (FM).(FM) =[FxFyFzMxMyMz]T

Jedan od naina da se izvri estokomponentno merenje prikazan je na slici 6.13a. Osam parova mernih traka postavlja se na etiri meusobno normalna konzolna nosaa. Pri dejstvu silei momentadolazi do deformacija ovih nosaa i do promena duina mernih traka. Oitavanjem parova traka dobija osam podataka1:.., ,8 koji formiraju vektor oitavanja

Drugi nain za estokomponentno merenje sile koristi tri elastina elementa kojima su povezana dva kruta tela (sl.6.13b). Pri dejstvu sile i momenta gornje telo se pomera u odnosu na donje. Sila i momenat se odreuju na osnovu meusobnog poloaja dva tela. Kako je taj poloaj odreen sa est parametara to je potrebno najmanje est mernih elemenata. U jednoj praktinoj realizaciji meusobno pome-ranje mereno je induktivnim pretvaraima.

estokomponentni senzori sile se u literaturi na engleskom esto nazivaju "wrist sensors". To je otuda to se esto pojavljuju na spoju zavrnog ureaja i poslednjeg zgloba.3 Tako postavljen, on omoguava odreivanje sile i momenta koje robot ostvaruje prema predmetu iju obradu vri ili prema svojoj okolini uopte.

SI.6.13 Dva naina vektorskog merenja sile i momenta 5

Principi graenja senzora sile i momenta

Principi gradnje.Gradnja senzora sile odreena je fizikalnim principom konverzija sile u izlazni signal ,te tehnolokim i ekonomskim mogunostima .U okviru ovih ogranienja mogue je napraviti veliki broj razliitih senzora.Meutim da bi se dobile optimalne tehnike karakteristike,prilikom gradnje treba potovati:princim monolitnosti,princip integriranja,princip simetrije i princip optimalnih konstruktivnih granica.Princip monolitnosti podrazumeva da se merena sila unutar senzora prenosi pomou jednog elementa.Ukoliko ima vise elemenata na spojevima se javlja trenje,koje utie na tanost senzora.Iz tehnikih razloga nije uvek mogue izbei upotrebu vie elemenata za prijenos sile,ali se njihov broj moe smanjiti tako da prelazi izmeu elemenata postavljaju sto dalje od mesta na kojem je primarni element konverzije,zatim tako to e se veza izmeu elemenata postaviti na mestu najmanje deformacije tj. Na zadebljanjima, te upotrebom elemenata sa to slinijim geometrijskim i mehanikim karakteristikama. Princip integriranja podrazumeva da senzor moraimati osetljivi element sa nekom povrinom poprenog preseka kako bi se izbegla pojava velikih mehanikih naprezanja na mestu delovanja sile.Zato je senzor sile taniji to je osetilni element bolje rasporeen po povrini na koju deluje sila.U tom smislu integriranje moe biti prividno ili stvarno.Konstruktivna reenja gde je mogue prividno integriranje :postavljanje osetilnog elementa to dalje od mesta gde deluje sila,ogranioavanje oblasti na koju deluje sila na ulazu u senzor,te simetrinost senzora.Stvarno integriranje omoguava se :postavljanje vie osetilnih senzora po vanjskoj povrini senzora,postavljanjem vie senzora po poprenom preseku senzora te primenom koninualno raspodeljenog osetilnog elementa Princip simetrije podrazumeva da su stanja senzora asimetrina kada je u pitanju delovanje merene sile,a simetrina kada su u pitanju sva druga delovanja.Poeljno je da karakteristika senzora bude maksimalno nesimetrina na promene merne sile,tako da otklon senzora od neopterenog stanja bude mera delujue sile.Ouvanje simetrrinosti u odnosu na sve druge veliine najbolji je nain izdvajanja merene od ostalih veliina.Simetinost na vanjska delovanja(temperatura,vlanost i sl) s1, s2 , ..., sn obezbeuje postojanost nulte take u optem sluaju :

f (F = 0, s1, s2 , ... , sn) = f (0, 0, ... , 0) .

6

Simetrinost na parazitna optereenja p1, p2 , ... , pn znai simetrinost promenekarakteristike senzora, odnosno neosetljivost na parazitna optereenja:f (F, pi) = f (F, pi) za svako pi .

Simetrinost u odnosu na mesto na kojem deluje sila, znai neosetljivost natu promenu:f (F, r ) = f (F, r ).

Prvo navedena simetrinost ostvarljiva je samo pomou specijalnih reenja,koja su esto povezana sa tehnolokim i konstruktivnim potekoama. Metodkompenzacije pokazuje se kao veoma pogodan, jer se pomou relativno jednostavnihdopunskih elemenata postie invarijantnost u odnosu na vanjska delovanja. Smanjenjeosetljivosti na ta delovanja je metod pomou kojeg se greka zbog odstupanja odpotpune simetrije moe samo reducirati, ali ne i sasvim odstraniti. Ovaj metod uvekse detaljno razrauje kod primene nekog novog principa ili naina konstrukcijesenzora.Poseban sluaj asimetrinosti senzora je antisimetrinost njegove statikekarakteristike:f (F )= f (F)

Budui da je funkcija f neparna, njen razvoj u Tejlorov red nema parnelanove. To je dobro zato to na taj nain kvadratna komponenta greke, koja inaebrzo raste, uopte ne postoji. Prema tome, senzor sa takvom karakteristikom imabolju linearnost i vei merni opseg. Takvi senzori se grade primenom tehnikediferencijalnih ema, tj. spajanjem dva senzora u jedan jedinstveni. Na oba sastavna senzora deluje ista sila, ali suprotna po smeru delovanja. Izlazni signal dobija se kao razlika izlaza iz sastavnih senzora.Princip optimalnih konstruktivnih razmera. Za svaku konkretnu emu konstrukcije postoje gornja i donja granica nominalnih vrednosti sile. Nije celishodno prelaziti definisani opseg zato to greke merenja tako postaju vee,a moe doi i do trajnog oteenja senzora.Ukoliko je potreban senzor za manju ili veu nominalnu silu obino se menja njegova konstrukcija,a ukoliko zadatak nije mogue realizovati datim tipom senzora,tada se gradi senzor sa drugim principom pretvaranja.

7

Struktura senzora

Rad senzora sile zasniva se na razliitim fizikim principima,u strukturi svakog senzora mogu se uoiti tipini elementi koji ine sistem.

Blok ema mernog sistema

Struktura mernog sistema dana je na slici gde merni pretvara prima energiju od merene promenljive,koja deluje na njegovom ulazu i proizvodi izlazni signal koji se transformie u bloku za podeavanje signala.Prijemnik signala prihvata signal i transformie ga u oblik pogodan za korienje na kraju prenosne linije.Rezultujua informacija koristi se u bloku za donoenje upravljakih odluka (raunaru)proizvodei komade koji se dalje alju izvrnim organima.

8

Senzori sile Senzori teine zasnivaju se na primeni jednaine gravitacije odnosno metodi balansa.Fundamentalni instrumenti ovog tipa su mehanike vage.Nepoznata sila se uporedjuje sa gravitacionom silom koja ima poznatu masu .Balans se opisuje jednainom :G1l=G2lG1=G2Na ovaj nain se prave takozvane analitike vage.

Za instrumente sa nejednakim kracima balans je postignut kada je :G1l1G2l2G2=G1l1/l2Ravnotea se postie dodavanjem poznate mase ili promenom duine kraka na kome je oveena poznata masa.Akcelerometarski senzori sile.Mernje sile pomou akceleracije a i poznate mase m se retko primenjuje.Razlog je zato sto sila obino deluje na neko telo koje nije slobodno pa ne moe ni da se kree pa nema ni ubrzanja.Senzori akceleracije primenjuju se u tehnici vibracija za merenja dinamikih sila koje deluju na vibrirajue mase.Elastini senzori imaju mehaniki elastini element ija je deformacija tj promena duine proprcionalna sili koja na njega deluje.Deformacija elementa opisuje se diferencijalnom jednainom drugog reda:F = m x + B x. + Cx .

U stacionarnom stanju je: F = Cx Otpornike merne trake:

sl.1.2 sl1.1

.9

Otpornike merne trakeOvi senzori mere pomeranje na osnovu promene elektrine otpornosti pri promeni duine otpornika. Traka se sastoji od otporne ice savijene kao to je prikazano na slici i zatim postavljene na savitljivu podlogu oblika trake. Ukoliko se traka istee, poveava se duina ice, a time i otpornsot. Otpornost dopunski raste i usled promene specifine otpornosti ali je prvi efekat dominantniji. Promena otpornosti meri se mernim mostom. Na slici je prikazan jedan mogui nain merenja sile i momenta. Kao elastini elemenat koristi se elastina greda, a trake se postavljaju u parovima (par 1,1 i par 2,2). Primer pokazuje da se isti ureaj moe koristiti i za merenje sile i za merenje momenta. U sluaju dejstva sile (sl. 1.2), trake 1 i 2 e se izduiti, a trake 1 i 2 skratiti. Par 1,1 odreuje deformaciju levog dela grede, a par 2,2 deformaciju desnog dela. Trake koje sainjavaju par vezuju se, pri merenju otpornosti, diferencijalno kako bi se postigla temperaturska i druga kompenzacija. Promena otpornosti je tada :

R = R R =R+R -(R-R) =R +R Magnetoelastini senzori rade na principu obrnutog magnetostricijskog efekta,koji predstavlja promenu stanja magnetisanog materijala pod uticajem mehanikih naprezanja.Kao materijal upotrebljavaju se legure eleza i nikla,legure eleza i silicija, te specijalni materijali koa to su legure eleza i aluminijuma.Po nainu rada razlikuju se aktivni,parametarski i anizotropski senzori.Senzori se sastoje od feromagnetnog jezgra koje trpi silu i kalema na kojem se meri promena induktivnosti Koriste se za merenje velike vrednosti sile u valjaonicama, merenje teine velikih vozila itd.

10

Senzori momenta

Moment je izvedena mehanika veliina koja predstavlja proizvod sile F i i njenog rastojanja l od referentne ose.M=FlMerenje momenta je od posebnog znaaja za obrtne elektrine maine.Problemi koji se javljaju kod merenja sile javljaju se i kod merenja momenta.Specifinosti nastaju

bog nemogunosti da se krajevi osovine koja prenosi moment idealno postave u leite.Parametri nepravilnosti spoja osovine i leita su :Paralelno odstupanje,maksimalno dozvoljene vrednosti 0.8-1.2mm

Ugaono odstupanje 0.3-0.8mm

Ugaono odstupanje u odnosu an nepokretno leite 10-15

11

DINAMOMETARSKI metod mernja zasniva se na merenju pomou sile reakcije u leajevima.Snaga se prenosi od izvora do opterenja pomou osovine zbog ega osovina trpi torziju.Snaga koja se prenosi od izvora moe se meriti na strani izvora ili na strani optereenja.

MERENJE MOMENTA POMOU TOROZIONOG NAPREZANJA

12

BESKONTAKTNI SENZORI MOMENTAGrade se na principu merenja torzionog naprezanja uz pomo tenzootpornikih elemenata.Induktivni pretvara u obliku obrtnog transformatora slui za beskontaktno napajanje mosta .Sekundar transformatora spojen je na most preko ispravljaa.Proporcionalno merenom momentu na mernoj dijagonali mosta dobija se istosmerni napon , koji je prikljuen na Um pretvara napona u frekvenciju f. U/f-pretvara napravljen je na bazi integratora u diferencijalnom spoju i komparator. Izlazni napon iz integratora je linearno rastui signal:Um RC t koji se na komparatoru poredi sa referentnim naponom . Kada je , izlazni Ur Ui > Ur napon U iz U/f-pretvaraa menja polaritet. Napon U istovremeno je signal povratne sprege, pa e, sledstveno tome, polaritet promeniti i napon mosta i referentni Um napon komparatora . Integriranje se u na Ur stupajuem poluperiodu vri sa suprotnim znakom, te se tako iz integratora formira pilasti napon. Pile su strmije to je napon Um vei. Na izlazu komparatora generie se niz etvrtki, ija frekvencija iznosi 5 15 kHz i proporcionalna je naponu mosta , odnosno merenom momentu:Um f = . Um 4RC R2 + R3 R3U = k M Frekventno modulisani signal sa ulaza U/f-pretvaraa ide na kapacitivni kolektor ili obrtni transformator. Za frekventnu demodulaciju potreban je f/U pretvara. On se obino pravi kao generator impulsa konstantne irine (monostabilni multivibrator), kojem se u seriji dodaje niskopropusni filter. Beskontaktni senzor momenta na bazi tenzootpornikih elemenata primenjuje se za merenje momenta u opsegu . Tipina tanost je , a 10 Nm do 50 kNm 0, 1% osetljivost napajanja mosta pri 1 100 mV na 1 V maksimalnoj vrednosti momenta. U kombinaciji sa senzorom ugaone brzine moe se ostvariti viefunkcionalni merni ureaj, koji na svome izlazu daje informacije o brzini , momentu M i snazi .

13

Induktivni blizinski prekida se sastoji od tri dela: oscilatora, prekidakog kola i izlaznog pojaavakog kola.Oscilator generie naizmenino elektrino polje. Kada metalniobjekat prie ovom poljui dostigne rastojanje na kome postoji indukcija, vrtlone struje u metalu e oslabiti oscilacije i njihovo zaustavljanje. Promenaoscilacija i zaustavljanje oscilatora se obrauje u sledeem stepenu i pretvara u prekidaki oblik, i dobijamo prekidako upravljanje bez dodira. DIGITALNI SENZORI MOMENTASu beskontaktnog tipa. Fizikalni princip gradnje ovih senzora je proporcionalnost ugaonog uvrtanja osovine (torzionog ugla) sa momentom koji se prenosi. Osetilni element je kalibrisana torziona osovina. Ona je jednim krajem prikljuena na stranu motora, a drugim na potroa Na mestima prikljuenja postavljeni su zupanici A i B . Delovanjem momenta dolazi do uvrtanja osovine i razlike u poloaju zupanika za iznos torzionog ugla. Pomeranje zubaca detektuje se elektromagnetnim ili optikim senzorima ugaone brzine. U prvom sluaju izlazni signali i imaju isti valni oblik, ali UA UB zbog relativne pomerenosti zupanika, izme|u njih postoji fazni pomeraj proporcionalan momentu . Pomou detektora nule valni oblici napona UA i UB pretvaraju se u sled pravougaonih impulsa . Logiko kolo prima ova dva signala i na svome izlazu daje novi sled impulsa sa frekvencijom proporcionalnoj razlici faza, odnosno merenom momentu . Radi poveanja tanosti na ulaz logikog kola iz referentnog klok-oscilatora dovode se impulsi visoke frekvencije, koje kolo propu{ta na izlaz u toku vremena . Brojanjem tmi ovih impulsa u odreenom vremenu rauna se srednja vrednost momenta. Raunanjem odnosa u toku svakog peri tmi / ti oda dobija se tranzijentna vrednost momenta na intervalu, koji je odre|en razmakom izmeu zubaca. Tanost digitalnih senzora momenta je pri rasponu ugaone brzine . Izlazni 0, 1% 0 120 000 ob/min signal je kodiran u BCD-kodu, a signal moe biti i analogni (naponski ili strujni). 14Digitalni mera

Zakljuak

Za pojam senzorike moemo rei da se konstantno pojavljuje u klasinoj primjeni u zadnjih pet godina.Automatizacijomproizvodnje ija se rairenost svakog dana sve vie proiruje doli smo do spoznaje da je usporedni razvoj senzorike neophodan .Senzori imaju iroku primenu u svakodnevnom ivotu:kod ekrana osetljivih na dodir,kod vrata i elevatora u javnim objektima,kod osvetljenja i alarma i mnogih drugih ureaja:automobila,aviona,medicinskih ureaja,robota,industrijskih maina i drugde..

15

Literatura

Dr.Mladen Popovi Senzori i merenja .etvrto izdanjehttp://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Senzor&oldid=8283518 http://www.tehnickaue.edu.rs/srp/cas/?conid=2510

16