Nazývají se snímače fyzikálních veličin, jejichž citlivý prvek je založen na použití tenzometrů tenzometrické snímače.
Snímač síly. Při měření síly pomocí tenzometrických snímačů se provádí řetězec transformací jedna ku jedné, znázorněný na Obr. 61. Použití polovodičové mikrotechnologie umožňuje umístit do pouzdra snímače měřicí můstek a v některých případech zesilovač a dokonce ADC.
Na základě tenzometrů jsou vytvářeny snímače síly s limity měření od zlomků gramu až po desítky tun. Meze měření jsou určeny tuhostí W pružný prvek, který převádí naměřenou sílu na deformaci tohoto prvku. Následné transformace jsou zřejmé.
Na Obr. 62 ukazuje dva příklady snímačů síly, které využívají dosud neuvažované kombinace pružných prvků s tenzometry. Jakýkoli snímač síly na konstrukčním prvku, který vnímá sílu, musí být opatřen konvexností, která fixuje bod působení síly. U snímačů určených pro použití ve vážních systémech je důležité zajistit, aby výsledek měření byl nezávislý na umístění váženého předmětu (produktu) na plošině, kde je tento předmět umístěn. Této nezávislosti lze dosáhnout jinými metodami: instalací několika senzorů a následným matematickým zpracováním výsledků.
První příklad (obr. 62 a) ukazuje příčný řez kulatým snímačem, jehož elastickým prvkem je horní membrána, na které je zevnitř nalepena fólie nebo polovodičový prvek odolný proti tahu, znázorněný na Obr. 62 b. Tento prvek je plný můstek se schopností připojit k němu vnější odpor R, určený k vyvážení mostu bez deformace. Při působení na snímač síly F tenzometry jsou stlačeny a tenzometry roztaženy. Tyto tenzometry jsou připojeny k můstku, jak je znázorněno na Obr. 60 palců a 62 g. Relativní deformacee se převádí na napětí měřicí úhlopříčky můstku podle vzorce
Polovodičové membrány této konstrukce jsou vyráběny v jediném čipu na substrátu o tloušťce několika mikrometrů a průměru až 1 cm.
Druhé provedení pružného prvku, znázorněné na Obr. 62 V, vyžaduje jiný obvod pro připojení tenzometrů k můstku. Tento pružný prvek pod vlivem měřené síly podléhá pouze stlačení. Ve směru tlakové deformace jsou na pružném prvku instalovány tenzometry a, které jsou součástí mostu, jak je znázorněno na Obr. 62 in. Druhý pár tenzometrů se instaluje kolmo k hlavním tenzometrům a používá se ke korekci teplotních chyb, jak je uvedeno výše v odstavci 7.2. Předpokládejme, že při absenci vlivu měřené síly jsou odpory všech tenzometrů stejné a vstupní odpor zesilovače je výrazně větší než tyto odpory. Pak se napětí v měřicí úhlopříčce takového můstku rovná
V případě, kdy jsou aplikované tenzometry fóliové a nelinearita převodu nebude větší než 1%. Při použití polovodičových tenzometrů u takových snímačů, u kterých bude nelinearita převodu pouze 0.1 %.
Nejpřesnějším prostředkem měření síly, postaveným na bázi snímačů odolných proti tahu, jsou elektronické váhy od Sartorius s vestavěným mikroprocesorem. Tyto váhy používají tenzometry jako první článek ve smyčce se zápornou zpětnou vazbou, přes kterou je vážený náklad kompenzován silou generovanou magnetoelektrickým zařízením. Chyba vah nepřesahuje 0.001 %. Při metrologických zkouškách a aplikacích se do mikroprocesoru zadává hodnota hustoty okolního vzduchu, aby se eliminovala chyba způsobená silou vztlaku váženého předmětu vzduchem v souladu se známým Archimedovým zákonem. Mezi stupnicemi vyráběnými Sartorius zaznamenáváme váhy SC2 (mez měření 2.1 g, rozlišení 0.1 μg) a stupnice MC5 (mez měření 5.1 g, rozlišení 1 μg).
Mezi výrobce snímačů síly patří německá společnost „Messtechnik“, která vyrábí snímače síly s mezemi měření od 5 N do 50 N, od 50 N do 1000 N, od 100 N do 10000 5000 N a od 500000 0.02 N do 0.03 5000000 N Chyba snímače – od XNUMX % do XNUMX %. Stejná firma vyrábí snímače síly pro vážení nádrží, bunkrů a podobně s horní hranicí měření až XNUMX XNUMX XNUMX N.
Senzory zrychlení. U těchto senzorů se naměřené zrychlení převádí na sílu pomocí setrvačné síly působící na těleso přesně známé hmotnosti. m: , kde je zrychlení snímače. Řetězec transformací měření prováděných za účasti snímačů odolných proti pnutí je uveden na Obr. 63.
Některé z možných možností instalace na pružný prvek tělesa s hmotou m a umístění tenzometrů na něm je znázorněno na Obr. 64. Z výše uvedených možností bude mít snímač největší citlivost,
jehož tělo s hmotou m připevněný ke konci pružného prvku ve formě konzolového nosníku. Pracovní tenzometry jsou zde označeny jako a tenzometry
jsou instalovány odpory pro kompenzaci teplotních chyb,
a jejich odpor nezávisí na zrychlení. Schéma připojení tenzometrů na můstek je podle schématu na Obr. 60 b, vzorec pro napětí v diagonále – pro obvod „poloviční můstek“.
Snímač zrychlení s tělesem hmoty bude méně citlivý. m a tenzometry se instalují na pružný prvek podle obr. 64 b. Tenzometry jsou zařazeny do obvodu „celý most“ podle obr. 64. století
A konečně nejméně citlivý bude snímač zrychlení, jehož pružný prvek pracuje v tlaku a tahu (obr. 64 d). Tenzometry takového snímače jsou zapojeny podle schématu na Obr. ’62
Zvýšení citlivosti snímačů zrychlení odolných vůči namáhání lze dosáhnout použitím pulzního napájení můstku synchronizovaného s momenty měření (viz také odstavec 7.2).
U snímačů zrychlení se hodnoty hmotnosti a tuhosti pružného prvku volí v souladu s požadovanou citlivostí. Je-li nutné sestrojit snímač zrychlení vibrací nebo musí-li snímač zrychlení pracovat v daném frekvenčním rozsahu, pak hmotnost a tuhost pružného prvku musí zajistit takovou frekvenci vlastních volných vibrací, aby byla výrazně vyšší než horní hranice frekvenčního spektra měřených zrychlení. Splnění této podmínky zajistí rovnoměrnou amplitudově-frekvenční odezvu snímače v celém zadaném frekvenčním rozsahu.
Společnost Burster (Německo) vyrábí širokou škálu senzorů zrychlení. K jejich vytvoření se používají polovodičové tenzometry, kterým se někdy říká piezorezistory. Snímače se liší rozsahy měření, chybovou charakteristikou, rozměry a připojovacími rozměry. Hranice dovolené chyby nepřesahuje 1 %. Hmotnost snímačů je menší než 3 g, celkové rozměry jsou menší než 10´10´10 mm.
Pro metrologické zkoušky snímačů zrychlení vibrací se používají vibrační stojany, které reprodukují harmonické vibrace s nastavitelnou frekvencí a amplitudou.
Konstantní zrychlení během celého experimentu je reprodukováno v odstředivce, jejíž rychlost otáčení a vzdálenost od středu otáčení k senzoru jsou známy s vysokou přesností. V tomto případě působí na citlivý prvek snímače odstředivé zrychlení. Jako stavový etalon pro variabilní zrychlení se používá dvojitá odstředivka.
Senzory tlaku. U snímačů tlaku kapalin nebo plynů odolných proti namáhání se měřený tlak převádí na sílu pomocí pístu nebo membrány, jejíž plocha je známá s vysokou přesností. Řetězec transformací měření prováděných při měření tlaku pomocí snímačů odolných proti tahu je na Obr. 65.
Snímače tlaku se dělí na snímače absolutního tlaku, snímače přetlaku (ve srovnání s atmosférickým tlakem) a snímače diferenčního tlaku. Vnitřní komora všech těchto snímačů je hermeticky rozdělena elastickou nebo měkkou membránou na dvě dutiny, jak je znázorněno na Obr. 66.
V dutině 2 snímače absolutního tlaku je vytvořeno vakuum (obr. 66a). Tento obrázek ukazuje možnost, kdy je elastickým prvkem membrána, na které jsou vytvořeny TP tenzometry pomocí polovodičové technologie podle obr. 62 b. Tyto tenzometry jsou umístěny na straně membrány, která je umístěna v dutině 2 a není vystavena prostředí, které může být agresivní. Plocha a tuhost této membrány musí být známa s vysokou přesností, protože v tomto případě membrána provádí dvě transformace: přeměnu tlaku na sílu přes plochu membrány a přeměnu síly na deformaci tenzometrů.
U snímače přetlaku může být elastickým prvkem stejná membrána, jejíž tenzometry jsou chráněny před atmosférou lakováním. Ale na Obr. 66b ukazuje možnost, kdy je membrána s tenzometry, která má známou tuhost, chráněna před vlivem agresivních složek toho či onoho prostředí utěsněnými plochými membránami, jejichž tuhost je nulová. Tyto membrány provádějí přeměnu tlaku na sílu, která je následně přeměněna elastickou membránou s tenzometry.
Další možnost ochrany před agresivním prostředím je na Obr. 61. století Pomocí takového snímače se měří tlakový rozdíl v průtoku kapaliny nebo plynu v úseku potrubí, kde je umístěna membrána, čímž se zužuje průtok. Rozdíl tlaků před a za membránou vzniká z odporu, který membrána poskytuje proudění, a tento rozdíl je úměrný druhé mocnině rychlosti proudění nebo rychlosti proudění pohybujícího se média. Prostředí může být agresivní a zde je ochrana před ním povinná. Jako prostředek ochrany jsou na tomto obrázku znázorněny písty, které jsou zároveň měniči tlaku na sílu. Síla, kterou vnímají, se přenáší
na membránu pomocí tyčí.
Ve všech třech případech TP označuje fóliové nebo polovodičové tenzometry vytvořené na membránách podle Obr. 62 c.
Tlakové snímače všech tří typů odolné proti tahu jsou široce používány v zařízeních, jako jsou elektrárny, kotelny a zkušební stolice energetických jednotek. Tuzemský průmysl vyrábí širokou škálu tahově odolných tlakových senzorů typu SAPFIR-22 a METRAN-22. Rozsahy měřených tlaků a tlakových rozdílů těchto snímačů se pohybují od desítek kPa do 10 MPa a výše. Chyba snímače 0.5 % a 0.25 %. V pouzdru snímače jsou namontovány deformační můstky a sekundární převodníky. Výstupní signál těchto snímačů je konstantní proud (0 ¸ 5) mA, (0 ¸ 20) mA a (4 ¸ 20) mA. Výstupní signály zahraničních snímačů tlaku odolných proti tahu pro průmyslové použití se liší ve stejných mezích.
Chyba nejlepších snímačů tlaku odolných vůči namáhání od společností Fluke a Motorola (USA), Rosemount a Druck (Německo), Metran (Rusko, Čeljabinsk), továrna Manometer (Moskva) a dalších dosahuje 0.05 %. Na základě podobných senzorů vyrábějí společnosti řadu tlakových kalibrátorů se stejnou přesností. U těchto snímačů se přeměna tlaku na sílu a síla na deformaci provádí pomocí elastických prvků, jako jsou membrány (obr. 62 b) nebo nosníky. Snímače využívají fóliové a polovodičové tenzometry.
Pro metrologické zkoušky průmyslových snímačů tlaku se používají vysoce přesné snímače nebo speciální lisy, ve kterých je referenční tlak vytvářen zatížením přesné hmotnosti.
Nazývají se snímače fyzikálních veličin, jejichž citlivý prvek je založen na použití tenzometrů tenzometrické snímače.
Na základě tenzometrů jsou vytvářeny snímače síly s limity měření od zlomků gramu až po desítky tun. Meze měření jsou určeny tuhostí W pružný prvek, který převádí naměřenou sílu na deformaci tohoto prvku.
U těchto senzorů se naměřené zrychlení převádí na sílu pomocí setrvačné síly působící na těleso přesně známé hmotnosti. m: , kde je zrychlení snímače.
U snímačů zrychlení se hodnoty hmotnosti a tuhosti pružného prvku volí v souladu s požadovanou citlivostí.
Senzory tlaku. U snímačů tlaku kapalin nebo plynů odolných proti namáhání se měřený tlak převádí na sílu pomocí pístu nebo membrány, jejíž plocha je známá s vysokou přesností.
Snímače tlaku se dělí na snímače absolutního tlaku, snímače přetlaku a snímače diferenčního tlaku.
Pro metrologické zkoušky průmyslových snímačů tlaku se používají vysoce přesné snímače nebo lisy se závažím, u kterých je referenční tlak vytvářen zatížením přesné hmotnosti.
Piezoelektrické snímače, princip činnosti, materiály, vlastnosti, schéma zapojení. Účel a konstrukce piezoelektrických snímačů. Aplikace pro měření síly, zrychlení a tlaku.
Piezoelektrické senzory jsou klasifikovány jako generátorové senzory. Tyto senzory používají piezoelektrický efekt, která spočívá v tom, že některé materiály se při působení síly zelektrizují: na jejich povrchu se objeví elektrický náboj, jehož velikost závisí na působící síle. To znamená, že materiál, který má piezoelektrický efekt, přeměňuje sílu na elektrický náboj. Přírodní materiál, který má piezoelektrický efekt, je křemen nebo horský křišťál.
Náboj vzniklý piezoelektrickým jevem závisí lineárně na působící síle, kde je koeficient piezocitlivosti materiálu.
Přesnost přeměny síly na náboj je poměrně vysoká. Krystal křemene tedy provádí tuto transformaci s relativní chybou. Další přeměnu elektrického náboje na napětí provádí zesilovač náboje a výsledné napětí lze měřit libovolným zařízením pro měření napětí: analogovým nebo digitálním voltmetrem nebo ADC připojeným k počítači.
Piezoelektrický efekt může být podélný, kdy na plochách, na které působí síla, vzniká náboj, popř příčný, kdy náboj vzniká na bočních plochách. Materiál se prakticky nedeformuje.
Uvažujme řetězec transformací, které se provádějí za účasti uvedených senzorů. Zesilovač náboje je součástí piezoelektrického snímače. Tím se vstupní obvody zesilovače přiblíží přímo ke zdroji náboje a tím se omezí chyby způsobené nedokonalou izolací kabelu a jeho kapacitou, která částečně odsune piezoelektrický prvek snímače. V tomto případě však musí být snímač napájen energií nezbytnou pro provoz zesilovače.
Nábojový zesilovač je společný pro všechny typy piezoelektrických snímačů. Je to vysokoziskový napěťový zesilovač řádu , obklopený hlubokou zápornou kapacitní zpětnou vazbou. V tomto ohledu je zesilovač ve skutečnosti kondenzátor, na jehož výstupu vzniká napětí, kde = (50 100) pF je kapacita kondenzátoru ve zpětnovazebním obvodu. Paralelně se zpětnovazebním kondenzátorem se zapíná aktivní odpor Ohm.
Piezoelektrické snímače síly, zrychlení a tlaku lze vytvořit na základě materiálů, které mají piezoelektrický efekt. Piezoelektrické senzory se liší od podobných senzorů odolných vůči tahu zvýšenou teplotní odolností a zvýšenou spolehlivostí. Při nízkých aplikačních teplotách však díky pokrokům v mikrotechnologii snímače odolné proti tahu úspěšně konkurují piezoelektrickým.
Chyba nejlepších moderních piezoelektrických snímačů zrychlení dosahuje (0,2 0,5) %.
