Senzori si traductoare

Prof. dr. ing. Valer DOLGA,

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 2

Cuprins 9• 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)

44321 zzzzcF zz

+++⋅−=

( )13 zzcM x −⋅= α ( )42 zzcM y −⋅= α

•cz este rigiditatea elementului elastic în direcţia z;

• cα 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 – flanşasuperioară);

• piesa de referinta (4) feromagnetica;

• traductoare de pozitie “5”

Modelul IRCC

Poziţia traductoarelor

Echivalareamodelului

RCC

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 5

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

−+⋅= L

lxxxcFx

2121

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅

−+⋅= L

lyyycFy

2122

lyycM x12

3−

⋅=

lyycM x12

3−

⋅=

lxxcM y12

4−

⋅=

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:

ρσ

⋅⋅

=l

f21

0

l este lungimea corzii,

σ este tensiunea în coardă

ρ 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 poluluimagnetic

vlBe m ⋅⋅=

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 12

Excitaţie prin electromagnet în mod intermitent (a) şi continuu (b)

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 13

Modalităţi de fixare a coardei

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 14

• Coarda “1”, inelul elastic “5” şi bara“2” formează un tot unitar fiind realizatedin aceeaşi bucată.

• Sistemele de excitaţie “3” şi “4” şitraductoarele “6” şi “7” conectate la circuitele de adaptare CA.

Senzorii cu coardăvibrantă permit măsurareastatică, sau variaţii lenteale forţelor pînă la 107 N.

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 15

Senzori de forta piezoelectrici

Materiale cristaline

• Cristale naturale(cuarţul – SiO2)• Cristale sintetice(sulfatul de litiu,fosfatul diacid deamoniu)

MATERIALEPIEZOELECTRICE

Materialepiezocereamice

• Titanatul debariu (BaTiO3)• Titanatul deplumb (PbTiO3)• Zirconatul deplumb (PbZiO3)• titanatul deplumb şi zirconiu -PZT

Polimeri

• Poliflorura deviniliden - PVDF

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 16

FUC

FQd ⋅

==

• constanta piezoelectrică saupiezomodulul

[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 cristalpiezoelectric:

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

•trei axe neutre (OYj , j =1, 2, 3)

•axa optică (OZ)

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 17

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

xxxx FdQ ⋅=

yxyy FdQ ⋅=

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 18

Efectul transversal pe un element piezoelectric de formăparalelipipedică

lAC r ⋅⋅

=εε0

0

•ε0 este permitivitatea electrică a vidului;

•εr este permitivitatea relativa

•A este suprafaţa transverală a elementului;

•l este grosimea acestuia

yxxy FabdQ ⋅⋅−=

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 19

Efectul piezoelectric de forfecare

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 20

Conectarea în pachet a elementelor piezoelectrice

Forme pentru elementele piezoelectrice

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 21

Fig.4.15 Schema electrică de principiu a unui senzor piezoelectric

'00 CnC ⋅=

'0

0 nCCFdn

CQU

S

ij

+⋅⋅

==

( )SI CCRt

eUu +⋅−

⋅= 00

( ) 100[%] ⋅−≈Δτtu

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 22

a

ae

aa

a CQ

kC

kC

Qu −≈

⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅

−=

111

mkf ⋅

⋅=

π21

0 ( ) 05.0....3.0 f⋅

Prof. dr. ing. Valer DOLGA 23

Senzori magnetostrictivi

magnetostricţiune - variaţia dimensiunilor fizice ale unui material feromagnetic sub influenţa unui câmp magnetic exterior.

Fenomenul este reversibil.

llΔ

=λ

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 24

Principiul de funcţionare a senzorilor magnetoanizotropici