Mérésadatgyűjtés, jelfeldolgozás. 2007/2008.BSc.II.évf. Érzékelők általános összefoglalója Az előadás anyaga részletesen megtalálható: http://e-oktat.pmmf.hu/irtech2 1. fejezet

Nem villamos jelek mérésének folyamatai.

Érzékelők, jelátalakítók felosztása. Passzív jelátalakítók. 1.Ellenállás változáson alapuló jelátalakítók - potenciométeres jelátalakítók: fém, félvezető anyagból - nyúlásmérő ellenállások (bélyegek) nyomás, erő, rezgés, mechanikai feszültség,.. - hőellenállások - fém anyagból - félvezetőből 2.Kapacitív jelátalakítók elmozdulás, szögelfordulás, szintérzékelők, páratartalom, dinamikus nyomás, rezgés,…

. elmozdulás, elfordulás, Aktív jelátalakítók 3.Mágneses ( induktív ) érzékelők : elmozdulás, elfordulás, Aktív jelátalakítók 1.Mágneses ( indukciós) jelátalakítók: elmozdulás (elektronikus mérleg),fordulatszám térfogatáram,…. 2.Piezoelektromos érzékelők: erő, nyomás, rezgés, gyorsulás, .. 3. Ultrahangos jelátalakítók: szint, térfogatáram, rezgés.. 4. Optoelektronikai jelátalakítók: jelenlét, alakfelismerés, nyomás, erő, gázok koncentrációja…

1.Ellenállás-változáson alapuló jelátalakítók. a. Potenciométeres jelátalakítók. csúszó érintkező csúszó érintkező ellenállás s φ0 ellenállás U0 R0 l0 Us ls φs Rs Rs U0

A modellezéshez használható kapcsolás a vezeték és a terhelő ellenállásokkal: A jelleggörbe csak terheletlen állapotban lineáris. . Kivitelük lehet: rétegellenállás - lineáris - logaritmikus jelleggörbével huzalellenállás Rvez1 Rvez2 Ube R0 Rx Rt Uki Rvez1 Rvez2

b. Jelátalakítás nyúlásmérő ellenállásokkal. Készülnek: fém és félvezető (piezorezisztív) anyagokból. A fém ellenállások nagyon vékony, és minél hosszabb, a nyomtatott áram- köröknél alkalmazott technológiával készült, bonyolult formájú mérőelemek. A mérés alapja az ábrán látható: A- ΔA A F F l Ha egy villamosan vezető anyagot F erővel meghúzunk, ill. összenyomunk, a vezető keresztmetszete megváltozik, ami ellenállás-változást okoz. Az ellenállást, rugalmas hordozóra, különleges ragasztóval felhelyezik és kis ellenállású kiveze- téssel látják el.

E- az anyagra jellemző rugalmassági modulus [ MPa ] A nyúlásmérő bélyegek segítségével különböző mechanikai jellemzőket lehet meghatározni: húzó,- nyomó erő, nyomaték, nyomás, rezgés, tömeg, szintmagasság, különböző feszültségi állapot, stb. A bélyegek elhelyezése, száma a mérendő jellemzőtől, a kívánt pontos- ságtól, stb. függ. Minden mérés alapja, a bélyegelemre ható húzó,- ill. nyomó erőből adódó deformáció meghatározása, ellenállás-változás segítségével. A tiszta húzásra igénybevett test viselkedésére a rugalmasság határain belül a Hooke- törvénye érvényes: б – a feszültség [ MPa ] E- az anyagra jellemző rugalmassági modulus [ MPa ]

ε – fajlagos nyúlás %-ban l0- a vezeték megnyúlt hossza [ m ] l– a vezeték eredeti hossza [ m ] A vezeték ellenállásának eredeti értéke: ρ – a huzal anyagának fajlagos ellen- állása [Ωmm2/m] A – a huzal keresztmetszete[mm2] A relatív ellenállás-változás: A keresztirányú változást és a fajlagos ellenállás megváltozását egy átalakítási tényezőbe foglalták össze, amelyet k bélyegállandónak neveznek, és megvásá- roljuk a bélyeggel. Nagysága 2-2,7 között változik.

Az ellenállás-változás nagysága: A szabványos alapellenállás értéke: 90, 120, 300, 350, 600,1000 ohm A bélyeg felépítése: kivezetések hordozó Egy egyelemes bélyeg nyomtatott kivitele. F F meander alakú ellenállás

A félvezető ellenállások kivitele eltér a fémből készült ellenállásokétól, mivel az ellenállás-változást a fajlagos ellenállás megváltozása hozza létre. Ez a félvezetőnél nagymértékű, ami a k bélyegállandó értékében jelenik meg: k=100 körül van. Kiviteli formája: hordozó kivezetések Félvezető ellenállás

Példa: mekkora ellenállás-változást kell mérnünk, ha egy test felületére ragasztott bélyegben a húzóerő hatására б = 10 MPa feszültség ébred ? A bélyeg alapellenállása R=120 Ω, a bélyegállandó k=2, a rugalmassági modulu- sa E= 2 · 105 MPa. A várható ellenállás-változás: ΔR =R k ε = 120·10-4 = 0,012Ω A példában bemutatott kis ellenállás csak megfelelő mérőműszerhez csat- lakoztatva mérhető.

Néhány bélyeg kiviteli formája: kételemes bélyeg, hossz és keresztirányú ellenállásokkal halszálka alakú bélyeg membrán bélyeg egyelemes bélyeg háromelemes bélyeg 45º- os elrendezéssel tízelemes bélyeg

A példában bemutatott ellenállás-változás mérésére leggyakrabban a Wheatston-híd kapcsolást alkalmazzák. Az RM mérőbélyeget a mérőműszerbe épített másik három ellenállással mérő- hídba kapcsolják össze. Az pl. R 1 , R2 – 120 Ω-os ellenállás RV – változtatható ellenállás R1 RM C D G R2 RV B A Wheatston-híd A, B kapcsaira egyenáramú tápforrást, a C, D kapcsok közé egy galvanométert (árammérőt) kötnek. A változtatható ellenállást addig kell változtatni míg a galvanométer, az átfolyó áramra nulla értéket nem mutat.

Ekkor az IG = 0, vagyis a híd kiegyenlített Ekkor az IG = 0, vagyis a híd kiegyenlített. Ilyenkor a híd szemben fekvő ágaiban elhelyezkedő ellenállások szorzata egyenlő: Ha a mérőbélyeg terhelést kap, a mérőellenállás megváltozik, a hidat ismét ki kell egyenlíteni. A hangolási értéket mindkét esetben skáláról lehet leolvasni, a két skálaérték közötti különbség a megváltozott ellenállás. Mérés közben a mérendő test hőmérséklete megváltozhat, meg kell külön-böztetni a terhelésből és a hőmérséklet-változásból adódó deformációt, ezért egy hőmérséklet kompenzáló, azonos nagyságú ellenállást kell beépíteni. Ezt az ellenállást olyan helyre kell ragasztani, amely felület nincs terhelve, de a hőmérséklete azonos a mérőtest hőmérsékletével. A mérőhíd ágaiba egyszerre több aktív bélyeget is el lehet helyezni, így beszélhetünk, fél hídról, ha kettő, teljes hídról, ha négy bélyeggel kívánjuk a deformációt megmérni. (Részletesen: jegyzet 1.2 ábra)

Wheatstone-híd, RK kompenzáló ellenállás beépítésével. RM R1 C C G Rk RV B B Mérőműszer Mérendő alkatrész Ha a hőmérséklet megváltozik, az RM és RK is azonosan változik meg, azaz a szemben lévő ellenállások szorzata nem változik. A hidat negyed hídnak nevezik. ( egy aktív bélyeget tartalmaz)

c. Hőmérséklet-függő ellenállások. Részletes anyag: 2.előadás Fém alapanyagból Félvezetőből

2. Kapacitív jelátalakítók. A gyakorlatban leggyakrabban a sík- és hengerkondenzátorokat alkalmazzák Síkkondenzátor Változhat - a kondenzátor felülete : A[m2] x1 fegyverzetek távolsága: δ [ m ] a dielektromos állandó: ε [ pF/m] A y δ δ x x εR A1 ( a két felület fedi egymást) A síkkondenzátor kapacitása: ε0 =8,85 *10-12 pF/m εr – relatív permittivitás, dimenzió nélküli szám

Hengerkondenzátor. Cső-cső, henger-cső kivitelben készülnek. l A kapacitása: ε d D d – a belső fegyverzet átmérője [m ] D – a külső fegyverzet átmérője [m ] ΔC εlev Példa: folyadék szintmagasságának fo-lyamatos regisztrálása l0 xmax lX xx xmin εfoly Xx – a pillanatnyi szint

levegő folyadék dielektrikummal A kondenzátor két részkondenzátorként működik, egy levegő és egy folyadék dielektrikummal, amelyek az ábra alapján párhuzamos kondenzátorokként értékel-hetők. A minimum szinthez, a Cmin kapacitás, l0 hosszal és ε levegő dielektromos állandóval: A max. szint : xmax levegő folyadék dielektrikummal

Kondenzátor alkalmazása nyomás-és erőmérésre. A fegyverzetek közötti távolság (δ ) változik. Főleg dinamikus nyomás, erő mérésére alkalmas.

Páratartalom érzékelő kondenzátor. A nedvesség hatására a dielektromos állandó változik meg. 1.Szilícim hordozó 2.Tantál rács(1.fegyverzet) 3.Nedvességérzékeny mű- anyagfólia (dielektrikum) 4.Arany rács(2. fegyverzet) Az érzékelő vékonyréteg technológiával készül.

Mágneses jelátalakítók. Fizika I. 4-5. előadás ismeretei alapján Két fő típusa lehet: induktív jelátalakítók indukciós jelátalakítók. Gyakran ezek kombinációit alkalmazzák. 3. Induktív jelátalakítók. Valamilyen fizikai jellemző (elmozdulás, elfordulás, rezgés, fordulatszám,stb.) megváltozásának hatására a tekercs induktivitása megváltozik. Ha a „ mágneses Ohm-törvényt” felírjuk: μ = μ0 μr Ahol μ0 =4π 10-7 Vs/Am a vákuum permeabilitási tényezője

A „ mágneses ellenállás” a – a vasmag keresztmetszete lk – a vasmag íveleme mozgó lágyvasmag Mozgó lágyvas x x ΔU ΔU tekercsek

Az érzékelők lehetnek tekercs-típusúak és transzformátor-típusúak. Mindkettő lehet egytekercses, ill. differenciál kivitelű. A differenciál kivitellel a kimenő jel megduplázható. Δx A légrés felül: x0 – Δx A légrés alul: x0 + Δx x0 A kimenő jel a légrés-válto- zásokból adódó induktivitás- változás lesz x- irányú kis elmozdulások érzékelésére φ- irányú kis szögelfordulás érzékelésére φ- irányú nagyobb szögelfordulás érzékelésére.

Differenciál-transzformátor típusú jelátalakító, merülőmagos kivitel A legelterjedtebb induktív jelátalakító. A belső, primer tekercs egy tekercs, csak meg van osztva, legtöbbször két részre, és U feszültséggel táplált. A külső a két szekunder tekercs, amelyekben a vasmag elmozdulásának hatására áram indukálódik. Mivel a két szekunder tekercs külön-külön jelet biz-tosít, differenciál jelátalakítóként műkö-dik. A kimenő jel transzformátor áttétel változás. primer tekercs szekunder tekercsek

4. Indukciós jelátalakítók. ( mozgási indukción alapuló jelátalakítók) Ha mágneses térben egy vezetőt v sebességgel mozgatunk, a vezetőn, U feszültség indukálódik: B – a tekercsben kialakult mág- neses indukció [Vs/m2] α – a sebesség és az indukció vonalak által bezárt szög Ha vagyis ha sebesség a mágneses indukció vonalakra merőleges:

A tekercs áll, a mágnes mozog Az indukciós jelátalakítók három csoportja különböztethető meg: - erővonal metszésen alapuló- a B mágneses tér és tekercs egymás- hoz képest elmozdul - térváltozás jön létre- az átalakító mágnestere ( B) megváltozik - örvényáramos átalakítók. Leggyakrabban az erővonal metszésen alapuló megoldásokkal találkozhatunk: U ± ΔU v D v É D É U ± ΔU D A tekercs áll, a mágnes mozog A mágnes áll, a tekercs mozog

Érintés nélküli, analóg fordulatszám érzékelő. A forgórész egy páros számú, váltott pólusú kerék, ahol az állandó mágneses körök az álló-részben körben elhelyezett, a pólusokkal azonos irányú tekercsben, a fordulatszámmal arányos áramot indukálnak. tekercsek forgórész

Mágneses (indukciós) térfogatáram mérő. A Faraday- elven működő áramlás-mérő minden olyan anyag térfo-gatáramának mérésére alkalmas, amelyeket más mérési elvvel mű-ködő eszközökkel nem lehet meg-mérni: szennyezett folyadékok, paszták, élelmiszer, stb. 1.,2. tekercsek A térfogatáram és az indukált feszültség: A cső anyaga a mérés helyén szigetelő, a közeg vezetőképessé-ge legalább 5 μS/cm legyen.

Turbinás áramlásmérő Érzékelője lehet: induktív, vagy induktív-indukciós összetett

5.Piezoelektromos jelátalakítók. Néhány nem fémes anyag nyo-más hatására, polarizálódik, a egyik felületén negatív, a mási-kon pozitív töltések válnak ki. Ha a kvarckristályból megfelelő síkokban vékony lapot vágnak ki, az x tengelyre merőlegesen elhelyezett vezetőfelületen, az erővel arányos töltésmennyi-ség mérhető. Q – indukált töltésmennyiség Fx – nyomóerő [ N] d11 – piezoelektromos együttható kvarcnál: 2,3 pF. Nagysága:

A méréstechnikai alkalmazásokban a nagyobb kimenő jel érdekében több kerámia-lapot fognak össze, a polarizációnak megfelelően. Mivel a keletkezett töltésmennyi-ség nem függ a felületek nagyságától, csak a számától, kis méretűre lehet gyártani. A töltésmennyiség: Fx + - - + + - - + Az ábrán egy erőmérő cella látható, ahol Fx + - – kerámia lapok - elektromos csatlakozó - a terhelés tartóeleme

6.Ultrahangos jelátalakítók. Alkalmazási területe főleg, a dinamikus erők és nyomások mérése, valamint ultra-hang előállítására, illetve fogadására. Miért nem alkalmazható statikus erő mérésére, ill. elektromos áram „előállítására”? 6.Ultrahangos jelátalakítók. Az ultrahangok 20 kHz – től, néhány MHz tartományban terjedő hullámok. Méréstecnikai alkalmazásuk főleg a roncsolásmentes anyagvizsgálat, a hosszmérés, szintmérés és az áramlásmérés területén találhatók. Az ultrahangos jelátalakító adója egy piezokerámia oszlop, amelyet tápfeszült- séggel rezgésbe hoznak. A vevő szintén egy kerámia oszlop, amely a rezgés ha- tására áramot indukál. ( Az ultrahangos áramlásmérőt működési elvét az áramlástechnikai méréseknél részleteztük.)

Alkalmazási példa ultrahangos szintmérésre: szállító szalag ultrahang adó, vevő szén Az ábrán egy kazán automatikus tüzelőrendszerét látjuk. A szén a 30 m-es tárolóba szállítószalagon érkezik és a maximum szintig tölti a tárolót. A kazánba táplálás is automatikusan történik, az ultrahangos szintérzékelő és a kazánvezérlés segítségé- vel.

7. Optoelektronikai jelátalakítók. A fény mint információhordozó jel, sok esetben felülmúlja az elektromos áramot. A jelvezetéket, mely fénykábel, semmilyen külső zavar nem befolyásolja. Az optikai elemek, lencsék, tükrök, prizmák, stb. nehéz technológiai környezetben is jól dolgoznak. A jelátalakítók - adóból - vevőből és - jelvezetékből állnak. Az adók (fénykibocsájtó elemek) lehetnek: - fényemittáló dióda ( LED) - félvezető lézer A fényérzékelő elemek lehetnek: - fotoellenállások - fotodiódák - fototranzisztorok

Száloptikák alkalmazása mozgó alkatrészek jelenlétének érzékelésére. Az ábrán egy tükröző felületet tartalmazó alkatrész jelenlétét, de a feldolgozó elektronikától függően, sebességét is meg lehet állapítani.

Az optikai érzékelők gyakori mérési elve : - az átmenő sugaras elv és - a reflexiós elv. Alkatrész vastagságának ellenőrzése reflexiós jelátalakítóval Alkatrész jelenlétének ellenőrzése átmenő sugaras jelátalakítóval.

Néhány példa az ipari alkalmazások területéről: 2. 1. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Az előző ábra képeinek magyarázata: Szerszám fogai állapotának ( hiány, törés) figyelése. Szállító pályán továbbított, különböző alkatrészek elhelyezkedésének figyelése. Papírtekercs feszességének figyelése. Csapágygolyók átmérőjének ellenőrzése. ( csak az eltérőket különböz- teti meg az átlagtól ) Tekercselés szélességének meghatározása. Szállítópályán mozgó alkatrészek válogatása magasság szerint. Szállító szalagon továbbított üvegek számának meghatározása. Így ellenőrzik az üres üvegeket is, hogy nem tartalmaznak-e durva szennyeződést. Üveg vastagságának ellenőrzése, ha nem a megfelelő az üveg vastagsága a törésmutatója máshová vetíti a fókuszált fényt. Automatikus gyártásba elhelyezett fúró törésének ellenőrzése.