Post on 24-Oct-2015
description
transcript
1
Amplificatore pentru traductoare
tensometrice conectate in punte
Senzorul tensometric rezistiv converteste alungirea
relativa (intindere sau compresiune) in variatie de
rezistenta electrica.
Pe baza acestei proprietati se poate determina
deformatia din piesa studiata si in final marimea
mecanica care a produs aceasta deformatie.
Senzorul are aspectul unui timbru el se mai numeste
marca tensometrica.
Efort unitar, tensiune mecanica,
marca tensometrica
Consideram un fir de material conductor, incastrat la un capat,
asupra caruia actioneaza forta F:
A
Fa =σ
A- aria initiala a sectiunii firului
L este lugimea initiala a firului
Materialul va fi supus unui efort unitar numit efort unitar axial:
-are dimensiunea unei presiuni [N/m2]
http://www.strain-gauges.com/
2
Sub actiunea fortei, firul se va alungi in directie
vericala: L va creste iar aria sectiunii A se va micsora
Tensiunea mecanica este definita ca o
alungire relativa (in directie axiala):
L
La
δε = Marime adimensionala
Legea lui Hooke
Pentru materiale elastice efortul unitar este proportional cu
alungirea relativa:
E = modulul lui Young (modul de elasticitate).
-Modulul lui Young este o marime constanta pentru un material dat .
-Legea lui Hooke este valabila doar in regiunea elastica a
deformatiilor
aa Eεσ =
Deformare
elastica
3
Rezistenta electrica a firului supus unei tensiuni mecanice
A
LR
ρ=
Logaritmand relatia, se obtine:
ALR lnlnlnln −+= ρ
Prin diferentiere relatia poate fi scrisa sub forma:
A
dA
L
dLd
R
dR−+=
ρ
ρ
Daca conductorul are sectiune circulara, cu raza r, aria acestuia va fi
2rA π= rdrdA π2=
r
dr
A
dA2=
Coeficientul Poisson reprezinta raportul intre deformatia transversala si cea
longitudinala:
L
dLr
dr
−=µ
L
dL
A
dAµ2−=
A
dA
L
dLd
R
dR−+=
ρ
ρRelatia devine
ρ
ρµ
d
L
dL
R
dR++= )21(
Experimental s-a stabilit o relatie intre variatia rezistivitatii si
variatia de volum sub forma:
L
dLc
A
dA
L
dLc
V
dVc
d)21()( µ
ρ
ρ−=+== c- constanta de material
Se obtine astfel:
L
dLc
R
dR)]21(21[ µµ −++=
Se poate scrie astfel:
aSL
dLS
R
dRε== unde )21(21 µµ −++= cS
4
Se observa ca rezistenta electrica a firului (la temperatura
constanta) creste proportional cu alungirea relativa a acestuia.
aS
R
dRε=
S -este sensibilitatea senzorului (marcii tensometrice)
L
dLR
dR
R
dR
Sa
==ε
-Valoarea tipica pentru S (constantan, crom-nichel) este 2.0
Marca tensometrica• Marcile tensometrice se realizeaza din fire metalice subtiri.
• Constructiv ele se realizeaza prin lipirea unei retele rezistive de forma unei serpentine (pentru a realiza un L mare, un R mare si deci o dR mare) pe o hartie sau inglobarea lor intr-o foita din material plastic sau printr-un procedeu chimic de corodare, ca la circuitele imprimate .
• pe spate sunt prevazute cu un strat adeziv cu ajutorul caruia se fixeaza pe piesa
a carei deformare se masoara, ele preluand integral deformarea respectiva.
Fir metalic
Material
suport
Fire de conectare
Directia solicitarii
grinda
Marca
tensometrica
Sub actiunea fortei in directia indicata in figura,
piesa metalica se alungeste si odata cu ea si
marca tensiometrica. Rezistenta marcii
tensiomatrice creste odata cu cresterea fortei.
Masurarea fortei aplicate (a solicitarii)
inseamna masurarea variatiei rezistentei marcii
tensometrice
5
Valori tipice pentru marcile tensometrice
•Rezistenta nominala in stare de repaus (netensionata) a marcii tensiometrice poate
fi 120Ω sau 350 Ω.
•Sensibilitatea marcii tensometrice S=2
•Alungirea relativa εaeste in domeniul de 10-6 - 10-3.
In aceste conditii:
ΩΩ=
Ω=== −−
24,000024,0
)1010)(0.2)(120(, 36
ladR
laRSdRsauSR
dRaa εε
Se remarca o valoare foarte mica pentru dR iar pentru dR/R = 2 x 10-6 la 2 x 10-3.
Concluzia: masurarea variatiei de rezistenta la marcile tensometrice nu se
poate face printr-o metoda directa, cu un ohmmetru, datorita valorii foarte mici a
acesteia. De aceea se foloste o metoda de comparatie prin utilizarea puntii
Wheatstone de curent continuu.
Puntea Wheatstone dezechilibrataI1
R2 R3
R4
E
I2
R1A
B
C D
BDADDBDABAAB UUVVVVVVU −=−−−=−= )(
41
414
41
1RR
REIRU
RR
EI AD
+==⇒
+=
32
323
32
2RR
REIRU
RR
EI BD
+==⇒
+=
))(( 3241
34314342
32
3
41
4
RRRR
RRRRRRRRE
RR
R
RR
REU AB
++
−−+=
+−
+=
))(( 3241
3142
RRRR
RRRREU
AB++
−=
6
Puntea Wheatstone dezechilibrata- un brat
activ (o marca tensometrica)-sfert de punte
I1
R2 R3
R0+dR
E
I2
R1A
B
C D
))(( 3241
3142
RRRR
RRRREU
AB++
−=
))(())((
)(
3201
31202
3201
3102
RRdRRR
RRdRRRRE
RRdRRR
RRdRRREUU AB
+++
−+=
+++
−+==∆
Initial: 0231 RRRR =
Rezulta: ))(( 3201
2
RRdRRR
dRREU
+++=∆
))(( 3201
2
RRdRRR
dRREU
+++=∆
Considerand cazul practic R1= R2=R3= R0
00
000
0
42)2(2)2( R
dRE
dRR
dRE
RdRR
dRREU ≈
+=
+=∆
≈04R
dREU =∆
Sensibilitatea relativa a puntii va fi:
4
1
0
=
∆
=
R
dRE
U
Sr
ice tensometrmarcii asociata relativa Alungirea4
1
0
⇒=∆⇒= aa SEUSR
dRεε
Pentru o marca tensometrica cu sensibilitatea S, avem:
SE
Ua
14
∆=ε Raspuns liniar
7
Puntea Wheatstone dezechilibrata- doua brate
active -jumatate de punte
Marci tensometrice
I1
R0+dR
R0
R0-dR
E
I2
R0 A
B
C D
))(( 3241
3142
RRRR
RRRREU
AB++
−=
dRR
E
RR
dRRE
RR
dRRRRdRREUU
AB
000
0
00
0000
222
2
22
)()(==
−−+==∆
1 4
2 3
ice tensometrmarcii asociata relativa Alungirea2
;;2 00
⇒=∆==∆aa
SE
USR
dRdR
R
EU εε
SE
Ua
12
∆=ε Raspuns liniar
Sensibilitatea relativa a puntii va fi:2
1
0
=
∆
=
R
dRE
U
Sr
Acelasi rezultat se obtine pentru urmatoarea situatie:
I1
R0
R0
R0+dR
E
I2
R0+dRA
B
C D
1
2
4
3
8
Puntea Wheatstone dezechilibrata- patru
brate active –punte întreaga
))(( 3241
3142
RRRR
RRRREU
AB++
−=
dRR
E
RR
dRRE
RR
dRRdRREUU
AB
000
0
00
2
0
2
0
22
22
22
)()(==
−−+==∆
SE
Ua
1∆=ε 1
0
=
∆
=
R
dRE
U
SrRaspuns liniar
I1
R0+dR
R0+dR
R0-dR
E
I2
R0-dRA
B
C D
1
2
4
3
Circuite de conditionare pentru
punti tensiometrice
•Completarea puntii: rezistoare de precizie
•Alimentarea puntii: (3-10)V – sursa de precizie, stabila
•Compensarea caderii de tensiune pe cablurile de legatura
•Compensarea offset-ului puntii
9
Amplificarea tensiunii de iesire a puntii
In practica iesirea de tensiune a puntilor tensiometrice:10 mV/V (pentru o sursa de
alimentare de 10V semnalul de iesire va fi de100 mV. Se urmareste o amplificare a
tensiunii si o eliminare a tensiunilor de mod comun.
R+dR=R(1+dR/R)=R(1+α)
UvU
v BAα
α
+
+==
2
1;
2
00
)(
00
)1(
0)(
0 =−
+−
+−
−
=−
++
−+
−+
F
AAA
F
BBB
R
vv
R
v
R
Uv
R
v
R
v
R
Uv
α
Rezulta: α
α
++
=1
)2
1(2
0
F
F
R
RR
RUv -Slaba precizie
-RF trebuie ales astfel incat CMRR sa fie mare
-Iesirea este neliniara
Utilizarea amplificatorului de instumentatie
2221
0
+−=−=∆
∆=
α
UUvvv
vAv
14
)2
1(40 <<≈
+
⋅= αα
α
αAUUAv
-Precizie buna (se regleaza prin RG)
-CMRR mare (datorita AI)
-Iesirea este neliniara (se poate corecta software)
10
Puntea activa-liniarizarea hardware a puntii
−+ == vU
v2
2
0)1(
)1(/00
0)1(
0
0
0
Uv
R
v
R
vv
R
vv
R
v
R
vU
R
vv
R
vU
α
α
α
−=⇒
=++
−+
/−/
−⋅=−
+−
=+
−+
−
+−−+
++
−−
-iesirea este liniara pentru orice valoare a lui αααα
-deoarece tensiunea de iesire este mica, acesta se va amplifica
de un al doilea circuit amplificator
Aplicatie cu marci tensometrice.
Sistem senzorial 3D
Functions>>Graphics & Sound>>3D Picture
Control>>Helpers>>Sensor Mapping
11
Placa de contitionare SC-2043-SG şi
placa de achiziŃie PCI 6024E
SC-2043-SG este o placa de conditionare de semnale cu 8 canale care interfateaza semnalelepreluate de la mărcile tensiometrice cu placa de achizitie PCI 6024E de la National Instruments.
Fiecare canal are un jumper care îl configurează atât pentru intrări în punte completă cât şi pentru intrări în semipunte şi sfert-de-punte.
Semnalul preluat de la cele opt canale este amplificat şi apoi filtrat separat pentru fiecare canal în parte.
Placa de achiziŃie PCI 6024E este folosită într-o arie largă de aplicaŃii, de la aplicaŃii de măsurări ale senzorilor până la aplicaŃii de control a tensiunilor înalte.
Placa de conditionarede semnale SC-2043-SG
Placa de achiziŃie PCI 6024E
Sistem senzorial 3d aplicat pe un model fizic
Mărcile folosite în această aplicaŃie sunt de trei tipuri:
1. TEN-TFS10/350-Wcu următoarele dimensiuni:
a=10; b=4.6; l=15; c=8; d=17.5 [mm]
2. TEN-TFS5/120-Wavând dimensiunile:
a=5; b=2.3; l=8.2; c=4.5; d=10 [mm]
3. TEN-TF3/120-Wcu următoarele dimensiuni:
a=3; b=2.5; l=5.5; c=5; d=7.5 [mm]
12
PoziŃionarea mărcilor tensiometricepe modelul uman fizic:
- cinci dintre aceste mărci au fost amplasate pe partea din faŃă.
- una pe partea din spate a modelului.
Mărcile au fost conectate la placa de condiŃionare, patru dintre ele în circuit de tip sfert-de-punte şi două în circuit de tip semi-punte.
CondiŃionatorul SC-2043-SG
La intrările condiŃionatorului au fost conectate cele şase mărci tensiometrice; patru dintre ele în circuit de tip sfert-de-punte şi două în circuit semi-punte.
13
Diagrama bloc
Panoul frontal pentru diagrama bloc din imagine
Diagrama bloc pentru măsurarea cu două mărci tensiometrice.
Pe panoul frontal este afişată deformaŃia şi parametrii care pot fi configuraŃi.
Încărcarea modelului 3D în program şi amplasarea senzorilor
14
ObŃinerea modelului 3D a răspunsului unui sistem la stimulii din mediul înconjurator are o deosebită importanŃă practică.
Astfel se pot obŃine mai multe informaŃii privind comportamentul sistemului în ansamblul său dar şi în zone ale acestuia greu sau imposibil de accesat.
Acest model poate fi utilizat, în laboratoarele de specialitate, în medicina sau în scopuri educative.
Sistemul are mare sensibilitate şi poate fi îmbunatăŃit prin plasarea unor senzori suplimentari.