Sensorteknik 2017 Trådtöjningsgivare

Transkript

1 Sensorteknik 2017 Johan Nilsson Uppfanns 1938 i USA för mätningar under utveckling av jordbävningssäkra byggnader (Simmons & Ruge) Använda nu i ett stort antal tillämpningar Ex. Övervakning av maskiner och byggnader Givarelement i vågar och last celler Givarelement i accelerometrar och tryckgivare techworld.idg.se, museum.mit.edu, en.wikipedia.org/wiki/1933_long_beach_earthquake

2 Syfte med dagens föreläsning Förstå grundprincipen för en trådtöjningsgivare Hur ansluts den in i en elektronisk krets Fördelar med bryggkopplingar Lite översikt om tillämpningar för trådtöjningsgivare Resistiv givare Resistansen ändras då givaren förlängs eller förkortas Töjning eller kompression Ex. Vid töjning blir givaren längre och smalare samtidigt. & = ' ( ) ) = *$ $ Hookes lag s Mekanisk spänning (Kraft per ytenhet) E Elasticitetsmodulen e - Töjning! = # $ % r resistivitet L Längd A - Tvärsnittsarea

3 ! = # $ % Relativ ändring av resistansen: + = *!! = *# # + *$ $ + *% % Samband mellan töjning och relativ ändring av tvärsnittsarea: *% % =./ *$ $ g - Poissons tal, 0,5 innebär konstant volym Sammantaget: *!! = *# *$ / # $ DL/L = e av storleksordning 0,1% Givarfaktorn, k: 1 = *!! *$ $ = + ) För metaller i allmänhet i närheten av 2. Konstantan är en vanlig metall i trådtöjningsgivare och den har en givarfaktor på just 2. Halvledarmaterial kan ha givarfaktorer på upp mot 100, framför allt beroende på att resistiviteten ändras med töjningen. Halvledarmaterialen har sämre linjaritet och större temperaturberoende.

4 Ex. montering Klistras ofta mot mätobjektet (viktigt att välja rätt klister) Riktningskänslighet: Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?)

5 Riktningskänslighet: Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?) De tjockare ändarna gör att givaren framför allt ger utslag i längsriktningen. Riktningskänslighet: Flera givare kan kombineras för att analysera en töjning med okänd riktning.

6 Utmaning 1: Givarna har ofta resistanser i området Ohm. 0,2% relativ resistansändring ger en resistansändring på 0,02 1 Ohm. Hur mäter man bäst en så liten resistansändring? Lösning på utmaning 1: Koppla in givaren i en mät-brygga (Wheatstone-brygga, kvartsbrygga). Nolla bryggan genom att sätta R 2 = R 1, R 3 = R 4. Utsignalen blir då (om DR 1 är liten): 2 3 2! 5! 0 = 2! 0 = 2 0 5! 0. )

7 Utmaning 2: Olika temperaturkoefficienter för givarmaterialet och mätobjektet -> Olika töjning eller kompression i de båda materialen -> Utsignal utan fysisk belastning Hur kan man lösa detta problem? Lösning på utmaning 2: Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga) R 0 (1+r 1 ) R 0 (1+r 2 )

8 Lösning på utmaning 2: Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga) R 0 (1+r 1 ) R 0 (1+r 2 ) Utsignalen blir då (om r 1 är liten): ( ) För en temperaturändring, (r 1 = r 2 ): För töjningen, (r 1 = -r 2 ): 2 3 = Applikationer Ex. Last-cell för kraftmätning med upp till 4 givare som kopplas i en brygga.

9 - Applikationer Ex. Övervakning av tåg-räls engtech.weebly.com/uploads/5/1/0/6/ /practical_applications_of _strain_gauges_student_sample.pptx - Applikationer Ex. Mätning av vridmoment gzracing.se nybryggt.ignorelist.com

10 - Applikationer Ex. Givarelement i mikromekanisk trycksensor

11 Sensorteknik 2017 Flödesmätning Johan Nilsson Flödesmätning Laminärt Turbulent flöde Laminärt R e < 2300 Reynolds number Inertial force R e = Viscous force R e = ρ u d η r = density u = average linear velocity d = characteristic length (diameter) h = viscosity Turbulent 2300 < R e (Circular geom.)

12 ) ) Flödesmätning Totalflöde t ex i en rörledning Volymflöde (m 3 /s) Massflöde (kg/s) = Volymflöde x Densitet (om inkompressibelt) Lokalflöde T ex då man vill veta hur strömningspriofilen ser ut Totalflöde kan erhållas genom att integrera det lokala flödet över tvärsnittsytan. Obstruktionsmätare Ex. Strypfläns A 2 A 1 Trycksensor Från Bernouille:! = # $ % & ' % & % ' & &(+ ' + & ) - C d Korrektionsfaktor för aktuell geometri

13 Induktiv flödesmätare (Hall-effekt) Magnetfält vinkelrätt mot flödet, ger upphov till en tvärs-spänning Ledande fluider Löptidsmätare Tiderna för en ultraljudspuls att gå från sändare till mottagare och från mottagaren tillbaka till sändaren igen mäts. / &1 2 & 3 = &1 2 & %!

14 Varmtrådsanemometer Avkylning/uppvärmning ger utsignal i en bryggkoppling A 2 Mäter massflöde (varför)