Senzori si traductoare

Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2

Cuprins 10

• Masurarea fortei pe baza deplasarii

• Masurarea momentului de torsiune

• Senzori de forta cu coarda vibranta

• Senzori de forta piezoelectrici

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 3

Masurarea fortei pe baza deplasarii

•Universitatea Leuven (Belgia)

• 3 componente

•DG - dispozitiv de ghidare (1)

• element elastic (2) (silfon)

• traductoare inductive -

diferentiale (3) (4 traductoare)

• flansa inferioara (4)

4

4321 zzzzcF zz

+++−=

( )13 zzcM x −= ( )42 zzcM y −=

•cz este rigiditatea elementului elastic în direcţia z;

• c este rigiditatea unghiulară a elementului elastic;

• zi (i = 1...4) sunt deplasările indicate de cele 4 traductoare inductive

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 4

• Charles Draper Laboratory;

• RCC (1- tijă centrală; 2 –

flanşă inferioară; 3 – flanşa

superioară);

• piesa de referinta (4)

feromagnetica;

• traductoare de pozitie “5”

Modelul IRCC

Poziţia traductoarelor

Echivalarea

modelului

RCC

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 5

−+= L

l

xxxcFx

2121

−+= L

l

yyycFy

2122

l

yycM x

123

−=

l

yycM x

123

−=

l

xxcM y

124

−=

Schema de prelucrare a informaţiei

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 6

Variantă pentru un senzor de

forţă / moment:

1 – traductor inductiv; 2 – placă de

referinţă; 3 – element elastic; 4 –

efector; 5 - carcasa

Variantă de senzor de

proximitate cu mobilitate pe

verticală

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 7

Masurarea momentului de torsiune

• element elastic 1;

• traductoare inductive diferenţiale 2 şi 3 .

• transformatorul rotativ (4,5) pentru alimentarea traductoarelor

• transformatorul (6,7) – preluare semnal

• doza 8 asigură conectările electrice necesare.

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 8

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 9

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 10

Senzori de forta cu coarda vibranta

Coarda metalica tensionata:

=

lf

2

10

l este lungimea corzii,

este tensiunea în coardă

masa pe unitatea de lungime a materialului coardei

Senzorii cu coardă vibrantă:

•precizie de pină la 0.1 % (dacă se asigură o stabilitate a frecvenţei de

rezonanţă);

•histereză practic inexistentă;

•repetabilitate foarte bună;

•stabilitate pe termen lung şi invarianţă la modificarea temperaturii.

Pentru asigurarea stabilităţii în funcţionare şi a sensibilităţii maxime,

trebuie să se asigure menţinerea în permanenţă la rezonanţă a

coardei.

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 11

mel liBF =

• B este inducţia magnetică a

magnetului permanent;

• i este curentul

• lm este lungimea polului

magnetic

vlBe m =

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 12

Modalităţi de fixare a coardei

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 13

• Coarda “1”, inelul elastic “5” şi bara

“2” formează un tot unitar fiind realizate

din aceeaşi bucată.

• Sistemele de excitaţie “3” şi “4” şi

traductoarele “6” şi “7” conectate la

circuitele de adaptare CA.

Senzorii cu coardă

vibrantă permit măsurarea

statică, sau variaţii lente

ale forţelor pînă la 107 N.

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 14

Senzori de forta piezoelectrici

Materiale cristaline

• Cristale naturale

(cuarţul – SiO2)

• Cristale sintetice

(sulfatul de litiu,

fosfatul diacid de

amoniu)

MATERIALE

PIEZOELECTRICE

Materiale

piezocereamice

• Titanatul de

bariu (BaTiO3)

• Titanatul de

plumb (PbTiO3)

• Zirconatul de

plumb (PbZiO3)

• titanatul de

plumb şi zirconiu -

PZT

Polimeri

• Poliflorura de

viniliden - PVDF

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 15

F

UC

F

Qd

==

• constanta piezoelectrică sau

piezomodulul

[C/N]

• Q este sarcina electrică rezultată pe feţele cristalului;

• F este forţa aplicată

• C este capacitatea electrică a cristalului considerat la tensiunea U.

Axele pentru un cristal

piezoelectric:

•trei axe electrice (OXi , i =1, 2, 3)

•trei axe neutre (OYj , j =1, 2, 3)

•axa optică (OZ)

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 16

Cristalul de cuarţ în stare nesolicitată (a) şi în stare solicitată (b, c)

xxxx FdQ =

yxyy FdQ =

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 17

Efectul transversal pe un element piezoelectric de formă

paralelipipedică

l

AC r

=0

0

•0 este permitivitatea electrică a vidului;

•r este permitivitatea relativa

•A este suprafaţa transverală a elementului;

•l este grosimea acestuia

yxxy Fa

bdQ −=

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 18

Efectul piezoelectric de forfecare

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 19

Conectarea în pachet a

elementelor piezoelectrice

Forme pentru elementele piezoelectrice

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 20

Fig.4.15 Schema electrică de principiu a unui senzor piezoelectric

'

00 CnC =

'

0

0nCC

Fdn

C

QU

S

ij

+

==

( )SI CCR

t

eUu+

−

= 0

0

( ) 100[%] −

tu

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 21

a

a

e

a

a

aC

Q

kC

kC

Qu

−

+

+

−=

111

m

kf

=

2

10 ( ) 05.0....3.0 f

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 22

Senzori magnetostrictivi

magnetostricţiune - variaţia dimensiunilor fizice ale unui material

feromagnetic sub influenţa unui câmp magnetic exterior.

Fenomenul este reversibil.

l

l=

1 – stare nesolicitata

2 - solicitare de intindere

3 – solicitare la compresiune

Materialele specifice magnetostrictive:

•cobaltul (magnetostricţiune pozitivă);

•nichelul (magnetostricţiune negativă) şi o serie de aliaje ale acestora ( de

ex. permalloy – magnetostricţiune pozitivă);

•Siferrit (Siemens) şi 7 (A, A2, B ) (Philips).

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 23

Principiul de funcţionare a senzorilor magnetoanizotropici