1 / 40

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás .

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.

kim-spears
Download Presentation

Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás .

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2007/2008.BSc.II.évf. Érzékelők általános összefoglalója Az előadás anyaga részletesen megtalálható: http://e-oktat.pmmf.hu/irtech21. fejezet

  2. Nem villamos jelek mérésének folyamatai.

  3. 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,…

  4. . 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…

  5. 1.Ellenállás-változáson alapuló jelátalakítók. a. Potenciométeres jelátalakítók. csúszó érintkező csúszó érintkező ellenállás s φ0 ellenállás R0 U0 l0 Us ls Rs φs U0 Rs

  6. A modellezéshez használható kapcsolás a vezeték és a terhelő ellenállásokkal: A jelleggörbe csak terheletlen állapotban lineáris. . Kivitelük lehet: rétegellenállás - lineáris - logaritmikus jelleggörbével huzalellenállás Rvez1 Rvez2 Ube R0 Rt Rx Uki Rvez2 Rvez1

  7. 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: A- ΔA A F F l 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.

  8. 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: б – a feszültség [ MPa ] E- az anyagra jellemző rugalmassági modulus [ MPa ]

  9. ε – fajlagos nyúlás %-ban l0- a vezeték megnyúlt hossza [ m ] l– a vezeték eredeti hossza [ m ] A vezeték ellenállásának eredeti értéke: 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 bélyegállandónakneveznek, és megvásá- roljuk a bélyeggel. Nagysága 2-2,7 között változik.

  10. Az ellenállás-változás nagysága: A szabványos alapellenállás értéke: 90, 120, 300, 350, 600,1000 ohm A bélyeg felépítése: kivezetések hordozó Egy egyelemes bélyeg nyomtatott kivitele. F F meander alakú ellenállás

  11. 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: hordozó kivezetések Félvezető ellenállás

  12. 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.

  13. Néhány bélyeg kiviteli formája: kételemes bélyeg, hossz és keresztirányú ellenállásokkal halszálka alakú bélyeg membrán bélyeg egyelemes bélyeg háromelemes bélyeg 45º- os elrendezéssel tízelemes bélyeg

  14. A példában bemutatott ellenállás-változás mérésére leggyakrabban a 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 R1 RM C D G R2 RV B 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.

  15. Ekkor az IG= 0, vagyis a híd kiegyenlített. Ilyenkor a híd szemben fekvő ágaiban elhelyezkedő ellenállások szorzata egyenlő: 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)

  16. Wheatstone-híd, RK kompenzáló ellenállás beépítésével. A A RM R1 C C G Rk RV B B Mérőműszer Mérendő alkatrész 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)

  17. c. Hőmérséklet-függő ellenállások. Részletes anyag: 2.előadás • Fém alapanyagból • Félvezetőből

  18. 2. Kapacitív jelátalakítók. A gyakorlatban leggyakrabban a sík- és hengerkondenzátorokat alkalmazzák Síkkondenzátor Változhat - a kondenzátor felülete : A[m2] x1 • fegyverzetek távolsága: δ[ m ] • a dielektromos állandó: ε[ pF/m] A y δ x δ x εR A1 ( a két felület fedi egymást) A síkkondenzátor kapacitása: ε0=8,85 *10-12 pF/m εr – relatív permittivitás, dimenzió nélküli szám

  19. Hengerkondenzátor. Cső-cső, henger-cső kivitelben készülnek. l A kapacitása: d ε D d – a belső fegyverzet átmérője [m ] D – a külső fegyverzet átmérője [m ] ΔC εlev Példa: folyadék szintmagasságának fo-lyamatos regisztrálása l0 xmax lX xx xmin εfoly Xx – a pillanatnyi szint

  20. A kondenzátor két részkondenzátorként működik, egy levegő és egy folyadék dielektrikummal, amelyek az ábra alapján párhuzamos kondenzátorokként értékel-hetők. A minimum szinthez, a Cminkapacitás, l0 hosszal és ε levegő dielektromos állandóval: A max. szint : xmax levegő folyadék dielektrikummal

  21. Kondenzátor alkalmazása nyomás-és erőmérésre. A fegyverzetek közötti távolság (δ ) változik. Főleg dinamikus nyomás, erő mérésére alkalmas.

  22. Páratartalom érzékelő kondenzátor. A nedvesség hatására a dielektromos állandó változik meg. 1.Szilícim hordozó 2.Tantál rács(1.fegyverzet) 3.Nedvességérzékeny mű- anyagfólia (dielektrikum) 4.Arany rács(2. fegyverzet) Az érzékelő vékonyréteg technológiával készül.

  23. 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: μ = μ0 μr Ahol μ0 =4π 10-7 Vs/Am a vákuum permeabilitási tényezője

  24. A „ mágneses ellenállás” a – a vasmag keresztmetszete lk – a vasmag íveleme mozgó lágyvasmag Mozgó lágyvas x x ΔU ΔU tekercsek

  25. Az érzékelők lehetnek tekercs-típusúak és transzformátor-típusúak. Mindkettő lehet egytekercses, ill. differenciál kivitelű. A differenciál kivitellel a kimenő jel megduplázható. Δx A légrés felül: x0 – Δx A légrés alul: x0 + Δx x0 A kimenő jel a légrés-válto- zásokból adódó induktivitás- változás lesz • x- irányú kis elmozdulások érzékelésére • φ- irányú kis szögelfordulás érzékelésére • φ- irányú nagyobb szögelfordulás érzékelésére.

  26. Differenciál-transzformátor típusú jelátalakító, merülőmagos kivitel 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. primer tekercs szekunder tekercsek

  27. 4. Indukciós jelátalakítók. ( mozgási indukción alapuló jelátalakítók) Ha mágneses térben egy vezetőt v sebességgel mozgatunk, a vezetőn, U feszültség indukálódik: B – a tekercsben kialakult mág- neses indukció [Vs/m2] α – a sebesség és az indukció vonalak által bezárt szög Ha vagyis ha sebesség a mágneses indukció vonalakra merőleges:

  28. 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: U ±ΔU v D v É É D U ±ΔU D A tekercs áll, a mágnes mozog A mágnes áll, a tekercs mozog

  29. Érintés nélküli, analóg fordulatszám érzékelő. A 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. tekercsek forgórész

  30. 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. 1.,2. tekercsek A térfogatáram és az indukált feszültség: A cső anyaga a mérés helyén szigetelő, a közeg vezetőképessé-ge legalább 5 μS/cm legyen.

  31. Turbinás áramlásmérő Érzékelője lehet: induktív, vagy induktív-indukciós összetett

  32. 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. Q – indukált töltésmennyiség Fx – nyomóerő [ N] d11– piezoelektromos együttható kvarcnál: 2,3 pF. Nagysága:

  33. 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: Fx + - - + + - - + Az ábrán egy erőmérő cella látható, ahol Fx + - • – kerámia lapok • - elektromos csatlakozó • - a terhelés tartóeleme

  34. 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.)

  35. 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.

  36. 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

  37. Száloptikák alkalmazása mozgó alkatrészek jelenlétének érzékelésére. Az ábrán egy tükröző felületet tartalmazó alkatrész jelenlétét, de a feldolgozó elektronikától függően, sebességét is meg lehet állapítani.

  38. 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.

  39. Néhány példa az ipari alkalmazások területéről: 2. 3. 1. 5. 4. 6. 7. 8. 9.

  40. Az előző ábra képeinek magyarázata: • Szerszám fogai állapotának ( hiány, törés) figyelése. • Szállító pályán továbbított, különböző alkatrészek elhelyezkedésének figyelése. • Papírtekercs feszességének figyelése. • Csapágygolyók átmérőjének ellenőrzése. ( csak az eltérőket különböz- • teti meg az átlagtól ) • Tekercselés szélességének meghatározása. • Szállítópályán mozgó alkatrészek válogatása magasság szerint. • Szállító szalagon továbbított üvegek számának meghatározása. • Így ellenőrzik az üres üvegeket is, hogy nem tartalmaznak-e durva • szennyeződést. • Üveg vastagságának ellenőrzése, ha nem a megfelelő az üveg vastagsága a törésmutatója máshová vetíti a fókuszált fényt. • Automatikus gyártásba elhelyezett fúró törésének ellenőrzése.

More Related