1/33

SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

Metody pro měření deformace

Mechanické

Elektrické

piezoelektrické a piezoresistivní senzory

senzory s povrchovou akustickou vlnou

induktivní, magnetické a kapacitní senzory

Optické

senzory s vláknovými vlnovody

fotoelastické senzory

mřížkové a moiré metody

2/33

Mechanické senzory deformace

Až do roku 1930 se pro měření deformace používaly přístroje založené pouze na mechanické bázi a zesílení se dosahovalo pomocí takových prvků jako páka, závit, klín, různé převody a jejich kombinací.

Proto tyto tenzometry nebyly vhodné pro měření strmých gradientů deformace a dynamická měření.

Přesnost měření také ovlivňovaly faktory jako tření, ztrátový zdvih, hmotnost a setrvačnost použitých prvků.

3/33

Elektrické senzory deformace

Indukčnostní, magnetické a kapacitní senzory

Senzory založené na těchto principech jsou většinou velmi rozměrné, těžké a využívají se jen ve velmi specializovaných aplikacích zejména ve strojírenství.

Kapacitní senzor deformace

Magnetoanizotropní senzor deformace

4/33

Elektrické senzory deformace

Piezo-elektrické senzoryJsou většinou používané pro sledování dynamických vstupů. Tenzometry se přitmelí ke vzorku a výstupní napětí se objeví při namáhání vzorku

Piezoelektrický efekt je založen na elastické deformaci a orientaci elektrických dipólů v krystalové struktuře. Základem je nesymetrická struktura krystalu, ve které se neshodují centra elektrického náboje a tak vytvářejí dipóly.

Přiložením vnější mechanické síly se deformují dipóly a na povrchu krystalu tak vzniká náboj (přímý piezoelektrický efekt). Naproti tomu, přiložení elektrického pole způsobí deformaci dipólů, a vyniká konstantní intenzita mechanického napětí (inverzní piezoelektrický efekt)

5/33

Elektrické senzory deformace

Piezo-elektrické senzory (vlastnosti) Hystereze Vliv teploty Elektrostrikce Stárnutí

Používané materiály – křemen– polymery na bázi polyvinylfuoridu (PVFD)– slinutá PZT keramika (olovo - zirkon - titan)– PLZT keramika (přidíví se lanthan) dává 2-8x větší napětí

než PZT keramika.

6/33

Elektrické senzory deformace

Piezo-elektrické senzory (vlastnosti) chovají se elektricky jako kapacitory, mechanicky jako tuhá

pružina systém má dvě přirozené rezonanční frekvence, jedna je

daná frekvencí vlastních oscilací pružiny a druhá je daná elektrickou kapacitou převodníku (typ. více než 200MHz).

Příklady aplikací piezoelektrických senzorů

měřiče deformace, síly, výchylky nebo akcelerometry, jejichž setrvačná hmota působí na piezoelektrický element

nevýhoda: nemohou být využity k měření statických sil

Piezoelektrický ohybový senzor

7/33

Elektrické senzory deformace

Senzory s povrchovou akustickou vlnou

Základním principem je závislost mechanické rezonanční frekvence pružného prvku na deformaci vyvolané vnějším působením

Senzory s povrchovými akustickými vlnami – využívají změn parametrů vlnění šířícího se z hřebenové struktury vysílače do místa přijímače

SAW senzor deformace

8/33

Elektrické senzory deformace

Senzory s povrchovou akustickou vlnouZapojením senzoru SAW do zpětné vazby zesilovače se ziskem A a fázovým posuvem vznikne při splnění podmínky oscilací generátor harmonického napětí s kmitočtem

22

21n

l

vn

tf SAWosc

Piezo-elektrické materiály pro substráty SAW senzorů- nejpoužívanější je křemen SiO2- GaAs, ZnO filmy, PZT keramika- GaPo4 (Gallium Phosphate), vede SAW vlny i při teplotách převyšující 600°C

Systémy senzorů SAW se často používají v automobilovém průmyslu, například pro monitorování tlaku v pneumatikách. Senzor je umístěn přímo v pneumatice a je spojen rádiově s řídící jednotkou.

9/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory – odporové snímače

Změny elektrického odporu jsou dány geometrickými deformacemi nebo změnami v krystalografické orientaci

Deformace je nejčastěji způsobena tlakem nebo

tahem v mezích Hookova zákona

El

dl

σ … mechanické napětí

ε … poměrné prodloužení

E … modul pružnosti

10/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzoryZákladní funkcí polovodičového tenzometru je stejně jako u kovových tenzometrů, transformace změny jejich rozměrů v určitelném směru na změnu odporu. U odporových tenzometrů je známa důležitá veličina tzv. deformační citlivost K (GF –

gauge factor)

εRdR

K

11/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzoryJe-li R odpor vodiče, V objem, l jeho délka, D průměr, r

měrný odpor, platí pro celkový odpor vztah

V

lρR

2

Po úpravě a dosazení

)21(21 CK

Kde C je konstanta závislá na krystalické stavbě odporového materiálu, která se u čistých kovů a slitin pohybuje v mezích –12 (Nikl) až +6 (Platina)

μ je Poissonova konstanta

ldlDdD

12/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory

ρε

dρ

εR

dRK

)21(

pak tento vztah popisuje čistě geometrický důsledek deformace a nazývá se Tenzometrický jev

m- pružně odporový součinitel, popisuje fyzikální důsledek a nazývá se Piezorezistivním jev

13/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory

pružně odporový součinitel - m

Ed

m

EmK )21()21(

σπεμ)(εmεμ)(R

dR 2121

Kde jsou piezoresistivní koeficienty

Pak platí

14/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - rozdělení

Tenzometry

kovovépolovodičov

é

fóliové

vrstvové

drátkové

monokrystalické

polykrystalické

15/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - Kovové tenzometry foliové

Vyrábějí se z kovových slitin s koeficientem K blízkém 2 a vybírají se dále s ohledem na minimální teplotní součinitel odporu

Materiál SloženíKoeficient deformace

K

Konstantan 57 Cu, 43 Ni 2,05

Karma 73 Ni, 20 Cr, resp Fe+Al 2,1

Nichrome V 80 Ni, 20 Cr 2,2

Platina – wolfram 92 Pt, 8W 4

Cermet CrSi, CrSi2 2

16/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - Kovové tenzometry

naprašované Naprašováním ve vakuu se vytvoří nejdříve dielektrická vrstva na nosné destičce (např. křemík) a pak aktivní vrstva. Používají se stejné materiály jako u foliových tenzometrů (Cermet, Nichrom…)

17/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - struktury

Layout a) samostatného, b) biaxiálního, c) tříprvkového tenzometru

18/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - Monokrystalické

polovodičové tenzometry Koeficient deformační citlivosti závisí na typu vodivosti. Kladné hodnoty má pro P typ polovodiče, záporné pro N typ vodivosti

19/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - Monokrystalické

polovodičové tenzometry

Polovodičové tenzometry s různým umístěním kontaktů

Difúzní technologií (nebo implantací) vyrobený polovodičový tenzometr

20/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - Tenzometr s dlouhým

vláknem

21/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory – Tenzometry pro vyšší teploty

Tenzometr v technologii SOI

Tenzometr vyrobený na bázi karbidu křemíku

22/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory – způsoby montáže

23/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory – vyhodnocovaní informace

Nejčastěji Wheatstoneův můstek

24/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace

Třívodičové zapojení

25/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Teplotní kompenzace

26/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Polomůstkové zapojení

27/33

Elektrické senzory deformace

Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace Celomůstkové zapojení

28/33

Optické senzory deformace

Optické vláknové senzory deformace Mechanická deformace optického vlákna má za následek změnu podmínek šíření světelného svazku, protože se mění geometrie jádro-plášť a také index lomu vlivem účinku mechanického namáhání. Také záleží na tom, zda deformace působí kolmo nebo podél osy vlákna.

Optické vláknové senzory deformace a) podélný, b) příčný

29/33

Senzor využívá Braggovu mřížku s periodou g která odráží selektivně na vlnové délce

kde N je efektivní index lomu

Optické senzory deformace

Optické vláknové senzory deformace – cont.

Citlivost lze podstatně zvýšit použitím jednovidových vláken a interferometrického uspořádání měřícího obvodu

Ng2

30/33

Optické senzory deformace

Optické vláknové senzory deformace – cont.

Změny útlumu vlákna při mikroohybech se využívají zejména pro výrobu senzorů tlaku nebo síly.

Optické vláknové senzory jsou vhodné pro aplikaci při vyšších teplotách (až 400 °C) a také v situacích kdy senzor nesmí obsahovat kovové části.

31/33

Optické senzory deformace

Mřížkové technikyTyto senzory mají na sobě umístěny referenční značky, jejichž vzdálenost se měří v klidu a potom při namáhání.

Deformace se pak vypočítá z poměru změny délky a původní délky mezi značkami. Referenční značky jsou uspořádány do souvislého mřížkového vzoru (obdélníkový, polární).

Mezi jednotlivými body pak můžeme sledovat gradient mechanického namáhání

Mřížka se vyrábí: nakreslením nebo rytím fotografickým tištěním přitmelením předpřipravené mřížky na povrch měřeného objektu leptáním

32/33

Optické senzory deformace

Metoda MoiréPro měření deformace je potřeba dvou vzorků s mřížkami, jeden testovací a druhý referenční. Rozptylový „Moire“ efekt je útvar střídajících se tmavých a světlých pruhů, který vznikne při porovnání deformované a referenční mřížky, když se položí na sebe a jedna se buď otáčí nebo posouvá

Fotoelastické senzoryu některých materiálů vzniká dvojlom světelného svazku při působení mechanického namáhání. Rychlost světla se pak mění v závislosti na směru šíření. Aplikace tohoto jevu spočívá v prosvětlování transparentního modelu polarizovaným světlem

Používané materiály: různé typy skel, celuloid, želatina, guma, celulózové nitráty, vinyly, fenolové formaldehydy, polyester, epoxid, uretan