Experimentln metody oboru FYZIKLN PRINCIPY SNMA Fyzikln principy

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Fyzikální principy snímačů © Zdeněk Folta - verze 2015 -09 -19 /30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Nejčastější principy snímačů mechanických veličin • • • Odporový Indukční Kapacitní Piezoelektrický Elektrodynamický (magnetodynamické) 2/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Odporové snímače Změna odporu jezdcem 3/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 4/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Změna odporu teplotou Kovové termistory Vodič mění svůj měrný odpor s teplotou: Pro Dt < 100 K je možno zjednodušit: R 0 R Dt a § § výchozí odpor termistoru konečný odpor temistoru změna teploty teplotní součinitel vodiče nelegovaná ocel (nelineární) platina (-200. . . +850 ºC) nikl (-60. . . +180 ºC) měď (-200. . . +200 ºC) a= cca 5 · 10 -3 K-1 a = 3, 85. . . 3, 93 · 10 -3 K-1 a = 6, 17. . . 6, 70 · 10 -3 K-1 a = 4, 26. . . 4, 33 · 10 -3 K-1 5/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kovové termistory 6/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kovové termistory Platinové termistory 7/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kovové termistory Výhody: þ relativně nízká cena þ poměrně dobrá linearita þ dobrá mechanická odolnost Nevýhody: ý velká tepelná setrvačnost ý malá citlivost 8/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Odporové snímače Změna odporu teplotou Polovodičové termistory Polovodičové senzory teploty podobně jako kovové využívají závislosti odporu na teplotě. jsou vyráběny spékáním oxidů Fe 2 O 3, Ti. O 2, Cu. O, Mn. O, Ni. O, Co. O, Ba. O a dalších. nebo linearizací do Taylorovy řady: kde hodnota B je udávána výrobcem, nebo se dá zjistit měřením hodnoty odporu pro dvě teploty T a T 0 9/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Polovodičové termistory 10/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 11/30 Odporové snímače l Vodič, nalepený na povrch měřeného předmětu, se deformuje zároveň s předmětem a změnou svého tvaru mění svůj odpor. Dl Změna odporu deformací - tenzometry

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Změna odporu deformací - tenzometry Výhody: þ dobrá linearita þ široké uplatnění pro měření různých fyzikálních veličin Nevýhody: ý nutná speciální vyhodnocovací elektronika ý relativně malý rozsah teplot (vliv lepidla) 12/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Snímač mění hodnotu své indukčnosti. Indukčnost cívky je dána vztahem: n m S l počet závitů cívky permeabilita prostředí průřez jádra cívky délka jádra cívky 13/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Snímač s otevřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika Výhody: þ velký rozsah měřených délek. Nevýhody: ý jen část dráhy je lineární; ý možnost rušení vnějšími elektromagnetickými poli, 14/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Snímač s otevřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika 15/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Snímač s uzavřeným indukčním obvodem a jeho charakteristika 16/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Diferenciální snímač a jeho charakteristika Při použití hrníčkových jader odolné proti rušení 17/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Indukční snímače Magnetostrikční snímač principem činnosti je změna magnetických vlastností jádra cívky při jeho deformaci. Dl/l poměrná deformace jádra K konstanta snímače Dm/m poměrná změna permeability jádra 18/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kapacitní snímače e S l Změna kapacity vzdáleností desek permitivita dielektrika plocha desek vzdálenost desek 19/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kapacitní snímače 20/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kapacitní snímače Změna kapacity plochou desek 21/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kapacitní snímače 22/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Kapacitní snímače Výhody: þ dobrá linearita u snímačů se změnou vzdáleností desek; þ frekvence od 0 do 100 k. Hz; Nevýhody: ý ý ý změna vzdálenosti asi do 1 mm (změnou vzdálenosti); možnost rušení vnějšími elektromagnetickými poli; u změny plochou desek určitá nelinearita; vysoký vnitřní odpor – vyžaduje nízkou kapacitu přívodních vodičů; citlivý na změnu kapacity přívodních vodičů. 23/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 24/30 Piezoelektrické snímače Jsou založeny na tzv. piezoelektrickém jevu. Při působení mechanických deformací dochází u některých druhů krystalů ke vzniku elektrického náboje. Tento děj je reciproký, přiložením střídavého elektrického pole se krystal mechanicky rozkmitá. Tyto vlastnosti vykazuje např. křemen, titaničitan barnatý a olovnatý, některé makromolekulární látky a jiné. V praxi se nejčastěji využívá vlastností Si. O 2 a Ba. Ti. O 3. Piezoelektrický element tvoří výbrus získaný z krystalu křemene vyřezáním destičky, jejíž hrany budou rovnoběžné s jednotlivými osami krystalu (X osa elektrická, Y - osa mechanická, Z - osa optická). Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu. Působí-li síla kolmo na optickou osu, krystal se zelektrizuje a na plochách kolmých na elektrickou osu se objeví elektrický náboj

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Piezoelektrické snímače Zatížení ve směru elektrické osy X kp je piezoelektrická konstanta V tomto směru není náboj závislý na ploše. Si. O 2. . . . . kp = 2, 1 · 10 -12 [C/N] Ba. Ti. O 3. . . . kp = 120 · 10 -12 [C/N] Seignettova sůl*). kp = 300 · 10 -12 [C/N] *)vínan sodnodraselný X - osa elektrická, Y - osa mechanická Z - osa optická 25/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Piezoelektrické snímače Zatížení ve směru mechanické osy Y Výstupní napětí C 0. . . kapacita snímače CS. . . kapacita přívodních vodičů V tomto směru nepůsobí síla na polepy. 26/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Piezoelektrické snímače 27/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Piezoelektrické snímače Výhody: þ dobrá linearita; þ vysoká tuhost snímače; þ velký rozsah frekvencí měření 0, 01 Hz. . . 100 k. Hz. Nevýhody: ý citlivost ovlivňuje kapacita přívodních vodičů (cejchování s vodiči); ý nelze měřit statickou hodnotu (vybíjení náboje). 28/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ Elektrodynamické a magnetodynamické snímače B. . . magnetická indukce [T] l. . . délka cívky v magnetickém poli; d. . . průměr cívky; n. . . počet závitů cívky; v. . . rychlost pohybu cívka/magnet 29/30

Experimentální metody oboru – FYZIKÁLNÍ PRINCIPY SNÍMAČŮ 30/30 Elektrodynamické a magnetodynamické snímače Elektromagnetický princip je reciproký – pohybem vzniká proud / změnou proudu vzniká pohyb Elektromagnetický princip reproduktoru (mikrofonu) Elektromagnetický princip využitý v měřidle