SENZORY PRO MĚŘENÍ DEFORMACE

1. 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. 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. 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. Magnetoanizotropní senzor deformace Kapacitní senzor deformace

4. Elektrické senzory deformace • Piezo-elektrické senzory Jsou 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. 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. 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. 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. Elektrické senzory deformace • Senzory s povrchovou akustickou vlnou Zapojením senzoru SAW do zpětné vazby zesilovače se ziskem A a fázovým posuvem vznikne při splnění podmínky oscilací generátor harmonického napětí s kmitočtem 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. 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 σ … mechanické napětí ε … poměrné prodloužení E … modul pružnosti

10. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory Základní 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)

11. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory Je-li R odpor vodiče, V objem, l jeho délka, D průměr, r měrný odpor, platí pro celkový odpor vztah Po úpravě a dosazení 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

12. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory 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. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory pružně odporový součinitel - m Kde pjsou piezoresistivní koeficienty Pak platí

14. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - rozdělení

15. 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

16. 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. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - struktury Layout a) samostatného, b) biaxiálního, c) tříprvkového tenzometru

18. 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. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - Monokrystalické polovodičové tenzometry Polovodičové tenzometry s různým umístěním kontaktů Difúzní technologií (nebo implantací) vyrobený polovodičový tenzometr

20. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - Tenzometr s dlouhým vláknem

21. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory – Tenzometry pro vyšší teploty Tenzometr v technologii SOI Tenzometr vyrobený na bázi karbidu křemíku

22. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory – způsoby montáže

23. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory – vyhodnocovaní informace • Nejčastěji Wheatstoneův můstek

24. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace • Třívodičové zapojení

25. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace • Teplotní kompenzace

26. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace • Polomůstkové zapojení

27. Elektrické senzory deformace • Piezorezistivní senzory - vyhodnocovaní informace • Celomůstkové zapojení

28. 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. Optické senzory deformace • Optické vláknové senzory deformace – cont. Citlivost lze podstatně zvýšit použitím jednovidových vláken a interferometrického uspořádání měřícího obvodu Senzor využívá Braggovu mřížku s periodou g která odráží selektivně na vlnové délce kde N je efektivní index lomu

30. 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. Optické senzory deformace • Mřížkové techniky Tyto 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. Optické senzory deformace • Metoda Moiré Pro 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 senzory u 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