pobieranie: Opracowane pytania na zaliczenie
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
1. Wymienić rodzaje czujników i naszkicować te, wykorzystujące efekt
piezo
Czujniki
Generacyjne:
-indukcyjne (dynamiczny, elektromagnetyczny)
-piezoelektryczny
-fotoelektryczny
-elektrolityczny
-elektrokinetyczny
Parametryczne:
-indukcyjne (dławikowy, transformatorowy)
-pojemnościowe
-fotoelektryczne
-oporowe (potencjometryczne, oporowo węglowe, tensometryczne)
-elektronowe
-akustyczne
-ultradźwiękowe
-magnetosprężyste
Proste zjawisko piezoelektryczne polega na indukowaniu ładunków
elektrycznych Q na powierzchni dielektryka pod działaniem naprężeń
mechanicznych
Q = d * F (1)
Stała piezoelektryczna – 0,23 * 10 –11 C/N
W równaniu (1) P oznacza polaryzację, S oznacza powierzchnię elektrod
nałożonych na dielektryk, d – moduł piezoelektryczny, ( –
naprężenie. Naprężeniem nazywamy stosunek siły F działającej na
powierzchnię S do wielkości tej powierzchni
. (2)
Jednostką naprężenia jest N/m2 , czyli Pa.
W czujnikach piezoelektrycznych elementem, który na skutek
przyłożenia siły (na-prężenia) generuje ładunek q(t) jest
materiał monokrystaliczny (turmalin, kwarc, sól Seignetta) lub
ostatnio polikrystaliczne, sztucznie spolaryzowane wyroby ceramiczne
(tytanian baru, ołowian cyrkonowo-tytanowy, metanioban ołowiu). Zasada
działania czujnika (rys.6.10a) polega na tym, że odkształcenie
kryształu piezoelektrycznego przez przyłożoną siłę powoduje
powstanie napięcia wyjściowego [q(t)], proporcjonalnego do wartości
tej siły.
Rys. Zasada działania piezoelektrycznego czujnika drgań
Element piezoelektryczny obciążony masą bezwładną służy jako
przetwornik drgań, gdyż siła nadaje masie przyśpieszenie
proporcjonalne do generowanego ładunku. Tego typu czujniki
przyśpieszeń nie wymagają zasilania, nie mają żadnych ruchomych
części. Cechuje je duży zakres dynamiczny i duży zakres mierzonych
częstotliwości. Są stosunkowo tanie, pewne w użyciu, łatwe do
kalibracji i mogą być mocowane w dowolnym kierunku, mierząc
składową przyśpieszenia wzdłuż swojej osi. Sygnały przez nie
generowane można łatwo całkować prostymi obwodami elektrycznymi,
otrzymując proporcjonalność do prędkości drgań i przemieszczeń
drgań. Pasmo przenoszenia takiego czujnika zawiera się w granicach od
kilku Hertz (2Hz) do kilkudziesięciu kilohertzów, zwykle 0,3 - 0,5
częstotliwości drgań własnych masy czujnika.
Konstrukcja przetwornika Piezo
Przetworniki wykorzystujące efekt piezo
Czujnik ciśnienia
Czujnik piezoelektryczny do pomiaru przyspieszeni
Sensor naprężenia
Sensor naprężeń w belce
Na górnej powierzchni umieszczony jest piezorezystor
2. Podąć 4 sposoby zapisu harmoniki oraz zależności miedzy nimi
W wielu zagadnieniach mechaniki i fizyki rozważa się wielkości
zależne od czasu t wyrażające się wzorem
Gdzie:
- amplituda
- faza [rad],
- faza początkowa [rad],
- częstość kołowa lub kątowa [rad/s],
Poprzez zmianę fazy harmoniki funkcję sinus można wyrazić za pomocą
funkcji cosinus zależnością
,
Są trzy parametry ruchu:
Całkując otrzymamy:
.
Ruch harmoniczny w innej postaci w przebiegu okresowym:
.
W przypadku ruchu periodycznego o okresie T wynika również
okresowość prędkości i przyspieszenia
ma postać
jest on równaniem elipsy
Stad 3 sposób przedstawiania harmoniki.
Postać zespolona: W wielu przypadkach wygodniej jest sygnał
przedstawić w postaci zespolonej
(22)
zaś są dowolnymi liczbami rzeczywistymi, zwanymi
,
.
Wartości tych liczb jednoznacznie określają liczbę zespoloną.
jest modułem liczby z oznaczonym
-
wzajemnie sprzężonych:
Zapisując w postaci wykładniczej,
3. Sygnały poliharmoniczne
Sygnałami poliharmonicznymi nazywamy takie typy sygnałów okresowych,
które powtarzają dokładnie swoje wartości w jednakowych
przedziałach czasowych i opisane są zależnością
, gdzie n = 1,2,3....
Sygnały poliharmoniczne, z nielicznymi wyjątkami, można rozwinąć w
szereg Fouriera.
Sygnały poliharmoniczne mogą być opisywane za pomocą Krzywych
Lissajousa. Krzywe te są rzutami na poszczególne osie. Otrzymane tory
są zwane właśnie krzywymi Lissajousa. Może to być wykorzystywane
np. w badaniach z użyciem oscyloskopu.
Przykładowy wygląd dla:
a) sygnałów o jednakowych amplitudach i jednakowych
częstotliwościach
b) sygnałów sinusoidalnych o stosunku f 1:2 i różnych faz.
4. Jakie czujniki można skonstruować wykorzystując zjawisko
piezoelektryczne
- Siłomierze
-jedno składowe
-wielo składowe
Mierzone siły:
Fx, Fy +/- 2,5 kN lub +/- 20 kN
Fz +/- 5 kN lub +/- 40 kN
- Akcelerometry (przyśpieszieniomierze)- oparte na piezorezystorze
dyfuzyjnym
od 5g do 10 kg
inny czujnik przyśpieszenia – wykorzystuje się w nim oddziaływanie
dynamiczne masy sejsmicznej w postaci siły F związanej z
przesunięciem. Wielkością wyjściową jest ładunek elektryczny Q,
wprost proporcjonalny do siły działającej na materiał
piezoelektryczny. Q = F * dx
- Ciśnieniomierze
- Sensor naprężenia – czułość od 17 do 6pC, a dla tych o
kształcie płaskim od 80 do 6pC, Występują one w różnym kształcie,
mogą być wsuwane bądź wkręcane w materiał.
- Sensor naprężeń w belce
Na górnej powierzchni umieszczony jest piezorezystor
- Czujniki emisji akustycznej – mierzą częstotliwość dźwięku.
Służą do oceny stanu konstrukcji.
5. Przeanalizować układ o jednym stopniu swobody w układzie
akcelerometru
(brak)
6. Wymienić rodzaje czujników stosowanych w przemyśle
- Optyczne
a) światłowodowe
b) fotoelektryczne o różnej długości światła
c) fotoelektryczne MSR
d) laserowe
- Indukcyjne zbliżeniowe (potrafią np. wykrywać metal)
a) z zamkniętym obwodem magnetycznym (szczelina mniejsza niż <1mm)
b) z otwartym obwodem magnetycznym (rdzeń przemieszczający się
wewnątrz cewki)
Służą także np. do pomiaru grubości taśm.
- Pojemnościowe
a) zbliżeniowe (przemieszczenia) służą np. do pomiaru ilości cieczy
w zbiorniku
- Ultradźwiękowe – pozwalają na pomiar zmian gęstości płynu, np.
żel, oraz np. kontrole poziomu substancji wewnątrz pojemnika, Pomiar
odległości.
- Rezystancyjne – służą do pomiaru temperatury, odkształceń,
przemieszczeń
a) rezystancyjny przetwornik przemieszczenia – ma postać precyzyjnego
rezystora nastawnego
b) rezystancyjny czujnik tensometryczny – służy do pomiaru
odkształceń elementów, Przewodnik metalowy
oddany naprężeniu mechanicznemu zmienia swoje wymiary geometryczne i
rezystywność.
c) rezystancyjny czujnik termometryczny – służy do elektrycznego
pomiaru temperatury, wykorzystuje zjawisko zmiany rezystancji metali lub
półprzewodników.
Stosuje się termistory i przetworniki metalowe takie jak platyna i
nikiel.
Opracowane pytania na zaliczenie
1. Wymienić rodzaje czujników i naszkicować te, wykorzystujące efekt
piezo
Czujniki
Generacyjne:
-indukcyjne (dynamiczny, elektromagnetyczny)
-piezoelektryczny
-fotoelektryczny
-elektrolityczny
-elektrokinetyczny
Parametryczne:
-indukcyjne (dławikowy, transformatorowy)
-pojemnościowe
-fotoelektryczne
-oporowe (potencjometryczne, oporowo węglowe, tensometryczne)
-elektronowe
-akustyczne
-ultradźwiękowe
-magnetosprężyste
Proste zjawisko piezoelektryczne polega na indukowaniu ładunków
elektrycznych Q na powierzchni dielektryka pod działaniem naprężeń
mechanicznych
Q = d * F (1)
Stała piezoelektryczna – 0,23 * 10 –11 C/N
W równaniu (1) P oznacza polaryzację, S oznacza powierzchnię elektrod
nałożonych na dielektryk, d – moduł piezoelektryczny, ( –
naprężenie. Naprężeniem nazywamy stosunek siły F działającej na
powierzchnię S do wielkości tej powierzchni
. (2)
Jednostką naprężenia jest N/m2 , czyli Pa.
W czujnikach piezoelektrycznych elementem, który na skutek
przyłożenia siły (na-prężenia) generuje ładunek q(t) jest
materiał monokrystaliczny (turmalin, kwarc, sól Seignetta) lub
ostatnio polikrystaliczne, sztucznie spolaryzowane wyroby ceramiczne
(tytanian baru, ołowian cyrkonowo-tytanowy, metanioban ołowiu). Zasada
działania czujnika (rys.6.10a) polega na tym, że odkształcenie
kryształu piezoelektrycznego przez przyłożoną siłę powoduje
powstanie napięcia wyjściowego [q(t)], proporcjonalnego do wartości
tej siły.
Rys. Zasada działania piezoelektrycznego czujnika drgań
Element piezoelektryczny obciążony masą bezwładną służy jako
przetwornik drgań, gdyż siła nadaje masie przyśpieszenie
proporcjonalne do generowanego ładunku. Tego typu czujniki
przyśpieszeń nie wymagają zasilania, nie mają żadnych ruchomych
części. Cechuje je duży zakres dynamiczny i duży zakres mierzonych
częstotliwości. Są stosunkowo tanie, pewne w użyciu, łatwe do
kalibracji i mogą być mocowane w dowolnym kierunku, mierząc
składową przyśpieszenia wzdłuż swojej osi. Sygnały przez nie
generowane można łatwo całkować prostymi obwodami elektrycznymi,
otrzymując proporcjonalność do prędkości drgań i przemieszczeń
drgań. Pasmo przenoszenia takiego czujnika zawiera się w granicach od
kilku Hertz (2Hz) do kilkudziesięciu kilohertzów, zwykle 0,3 - 0,5
częstotliwości drgań własnych masy czujnika.
Konstrukcja przetwornika Piezo
Przetworniki wykorzystujące efekt piezo
Czujnik ciśnienia
Czujnik piezoelektryczny do pomiaru przyspieszeni
Sensor naprężenia
Sensor naprężeń w belce
Na górnej powierzchni umieszczony jest piezorezystor
2. Podąć 4 sposoby zapisu harmoniki oraz zależności miedzy nimi
W wielu zagadnieniach mechaniki i fizyki rozważa się wielkości
zależne od czasu t wyrażające się wzorem
Gdzie:
- amplituda
- faza [rad],
- faza początkowa [rad],
- częstość kołowa lub kątowa [rad/s],
Poprzez zmianę fazy harmoniki funkcję sinus można wyrazić za pomocą
funkcji cosinus zależnością
,
Są trzy parametry ruchu:
Całkując otrzymamy:
.
Ruch harmoniczny w innej postaci w przebiegu okresowym:
.
W przypadku ruchu periodycznego o okresie T wynika również
okresowość prędkości i przyspieszenia
ma postać
jest on równaniem elipsy
Stad 3 sposób przedstawiania harmoniki.
Postać zespolona: W wielu przypadkach wygodniej jest sygnał
przedstawić w postaci zespolonej
(22)
zaś są dowolnymi liczbami rzeczywistymi, zwanymi
,
.
Wartości tych liczb jednoznacznie określają liczbę zespoloną.
jest modułem liczby z oznaczonym
-
wzajemnie sprzężonych:
Zapisując w postaci wykładniczej,
3. Sygnały poliharmoniczne
Sygnałami poliharmonicznymi nazywamy takie typy sygnałów okresowych,
które powtarzają dokładnie swoje wartości w jednakowych
przedziałach czasowych i opisane są zależnością
, gdzie n = 1,2,3....
Sygnały poliharmoniczne, z nielicznymi wyjątkami, można rozwinąć w
szereg Fouriera.
Sygnały poliharmoniczne mogą być opisywane za pomocą Krzywych
Lissajousa. Krzywe te są rzutami na poszczególne osie. Otrzymane tory
są zwane właśnie krzywymi Lissajousa. Może to być wykorzystywane
np. w badaniach z użyciem oscyloskopu.
Przykładowy wygląd dla:
a) sygnałów o jednakowych amplitudach i jednakowych
częstotliwościach
b) sygnałów sinusoidalnych o stosunku f 1:2 i różnych faz.
4. Jakie czujniki można skonstruować wykorzystując zjawisko
piezoelektryczne
- Siłomierze
-jedno składowe
-wielo składowe
Mierzone siły:
Fx, Fy +/- 2,5 kN lub +/- 20 kN
Fz +/- 5 kN lub +/- 40 kN
- Akcelerometry (przyśpieszieniomierze)- oparte na piezorezystorze
dyfuzyjnym
od 5g do 10 kg
inny czujnik przyśpieszenia – wykorzystuje się w nim oddziaływanie
dynamiczne masy sejsmicznej w postaci siły F związanej z
przesunięciem. Wielkością wyjściową jest ładunek elektryczny Q,
wprost proporcjonalny do siły działającej na materiał
piezoelektryczny. Q = F * dx
- Ciśnieniomierze
- Sensor naprężenia – czułość od 17 do 6pC, a dla tych o
kształcie płaskim od 80 do 6pC, Występują one w różnym kształcie,
mogą być wsuwane bądź wkręcane w materiał.
- Sensor naprężeń w belce
Na górnej powierzchni umieszczony jest piezorezystor
- Czujniki emisji akustycznej – mierzą częstotliwość dźwięku.
Służą do oceny stanu konstrukcji.
5. Przeanalizować układ o jednym stopniu swobody w układzie
akcelerometru
(brak)
6. Wymienić rodzaje czujników stosowanych w przemyśle
- Optyczne
a) światłowodowe
b) fotoelektryczne o różnej długości światła
c) fotoelektryczne MSR
d) laserowe
- Indukcyjne zbliżeniowe (potrafią np. wykrywać metal)
a) z zamkniętym obwodem magnetycznym (szczelina mniejsza niż <1mm)
b) z otwartym obwodem magnetycznym (rdzeń przemieszczający się
wewnątrz cewki)
Służą także np. do pomiaru grubości taśm.
- Pojemnościowe
a) zbliżeniowe (przemieszczenia) służą np. do pomiaru ilości cieczy
w zbiorniku
- Ultradźwiękowe – pozwalają na pomiar zmian gęstości płynu, np.
żel, oraz np. kontrole poziomu substancji wewnątrz pojemnika, Pomiar
odległości.
- Rezystancyjne – służą do pomiaru temperatury, odkształceń,
przemieszczeń
a) rezystancyjny przetwornik przemieszczenia – ma postać precyzyjnego
rezystora nastawnego
b) rezystancyjny czujnik tensometryczny – służy do pomiaru
odkształceń elementów, Przewodnik metalowy
oddany naprężeniu mechanicznemu zmienia swoje wymiary geometryczne i
rezystywność.
c) rezystancyjny czujnik termometryczny – służy do elektrycznego
pomiaru temperatury, wykorzystuje zjawisko zmiany rezystancji metali lub
półprzewodników.
Stosuje się termistory i przetworniki metalowe takie jak platyna i
nikiel.
