Pomiary przemieszczeń liniowych i kątowych

Diagnostyka pojazdów szynowych
- wykład Pomiary przemieszczeń
liniowych i kątowych
KATEDRA TRANSPORTU SZYNOWEGO
WYDZIAŁ TRANSPORTU
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W KATOWICACH
Dr inż. Mańka Adam
Katowice, 2011-06-13
Wszelkie maszyny i urządzenia mechaniczne zbudowane są z
materiałów odkształcalnych, których współczynniki sztywności
i sprężystości są zależne od spełnianych funkcji.
Elementy maszyn i urządzeń projektuje się zakładając takie
wartości współczynników sztywności i sprężystości, aby
zapewnić im wymaganą trwałość i bezpieczeństwo pracy
Dlatego tez w pomiarach przemieszczeń rozróżnia się
przemieszczenie liniowe związane z ruchem postępowym ciał
wyrażone w jednostkach długości oraz przemieszczenie
kątowe, związane z ruchem obrotowym ,wyrażone w
stopniach kątowych lub radianach
3
W wielu przypadkach bezwzględny pomiar długości jest
nieistotny, a ważna staje sie jej zmiana.
W takim przypadku mierzymy zmianę długości czyli
przemieszczenie,
stad
czasami
terminy
długość
i
przemieszczenie są stosowane zamiennie.
Jednostka podstawowa długości jest metr, który jest
zdefiniowany jako 1 650 763,73 długości fali promieniowania
kryptonu 86 w próżni.
4
Czujniki pomiarowe
Jako czujnik pomiarowy rozumie się przetwornik
stanowiący element wejściowy układu elektrycznego,
przetwarzający badana lub regulowaną nieelektryczna
wielkość fizyczną w sygnał elektryczny dogodny do
pomiaru, dalszego przekształcania lub rejestracji, a także
do oddziaływania za jego pomocą na sterowane procesy.
Wejście
Wielkość mechaniczna
Przetwornik
mechaniczny
Przemieszczenie
Przetwornik
elektryczny
Wyjście
Wielkość elektryczna
Zasilanie
przetwornika
Zasada działania czujnika pomiarowego wielkości
mechanicznej
5
Przy pomiarze przemieszczeń i odkształceń ciał
stałych wykorzystuje się różne zjawiska fizyczne i
elektryczne. Najczęściej spotykane to :
- indukcyjne przetworniki transformatorowe;
- czujniki pojemnościowe;
- czujniki optyczne laserowe;
- czujniki tensometryczne;
- czujniki piezoelektryczne.
6
W układach pomiarowych służących do pomiaru
wielkości nieelektrycznych, stosuje się przetworniki służące do
zamiany tych wielkości na wielkości elektryczne. Rozróżnia
się dwa podstawowe rodzaje przetworników:
- generacyjne;
- parametryczne.
Przetworniki
pomiarowe
Mechaniczne
Sprężyste
Sejsmiczne
Dylatacyjne
Elektryczne
Hydrostatyczne
Generacyjne
Parametryczne
7
Przetworniki generacyjne są przetwornikami aktywnymi
i przetwarzają bezpośrednio sygnał wejściowy na sygnał
wyjściowy, energie wejściową na energie elektryczną.
Najczęściej czujniki te nie muszą być zasilane z osobnego
źródła, a zasilany jest jedynie wzmacniacz pomiarowy.
Wykorzystuje się w nim zjawiska:
- indukcji elektromagnetycznej;
- termoelektryczne;
- magnetoelektryczne;
- magnetostrykcyjne;
- fotoelektryczne;
- prądów wirowych;
- elektrochemiczne.
8
Przetworniki parametryczne zwane pasywnymi, w których
sygnał wejściowy powoduje zmianę jakiegoś parametru
przetwornika np.: rezystancji, impedancji, pojemności itp., a
dostarczana z zewnątrz energia przekształca te zmiany na
odpowiednie wartości prądu czy napięcia.
Wśród przetworników parametrycznych należy wyróżnić
miedzy innymi:
- potencjometryczne;
- indukcyjnościowe;
- pojemnościowe.
9
Wartości mierzonych przemieszczeń
Zakres pomiarowy
Typ przetwornika
0 ÷ 100 [µm]
Tensometryczne i piezoelektryczne
100 [µm] ÷ 10 [mm]
Potencjometryczne, tensometryczne, indukcyjnościowe
i pojemnościowe
10 ÷ 100 [mm]
Potencjometryczne, indukcyjnościowe i pojemnościowe
100 ÷ 1000 [mm]
Potencjometryczne, indukcyjnościowe
10
Przetworniki parametryczne - potencjometryczne
a) Prostoliniowy;
b) jednoobrotowy;
c) wieloobrotowy
11
Przetwornik indukcyjnościowy transformatorowo różnicowy
+
-
12
1- rdzeń ferromagnetyczny; 2-cewki transformatora
różnicowego; 3-nakretka mocująca 4- korpus
Parametry czujnika OT-18
- Znamionowy zakres przemieszczeń
0,1 mm
- napięcie zasilania przetwornika
5 V, 5 kHz
- znamionowa wartość napięcia wyjściowego
150mV
- zakres temperatur użytkowania
243..333 K
- błąd liniowości
2%
- rozmiary
10 X 30 mm
- masa
20 g
13
1- gniazdo kontaktowe; 2- nakrętka z brązu ; 3-izolator
z polistyrenu; 4 – elektroda wewnętrzna ze stali
nierdzewnej , 5 – elektroda zewnętrzna ze stali
nierdzewnej; 6 – tuleja izolacyjna z polistyrenu; 7 –
połączenie gwintowe; 8- trzpień popychacza
14
Cechy metrologiczne indukcyjnościowych transformatorowo –
różnicowych przetworników przemieszczeń
Cecha
Wartość
Znamionowa wartość
przemieszczenia rdzenia
Od kilku mikrometrów do kilkudziesięciu centymetrów
Błąd liniowości
0,1 do 2%
Zasilanie napięciowe
1 ÷ 5 [V]
Zasilanie prądowe
1 ÷ 5 [mA]
Częstotliwość napięcia
zasilania
50 Hz dla urządzeń przemysłowych
400 Hz dla lotniczych mierników pokładowych
5 kHz w miernictwie laboratoryjnym
50 kHz w miernictwie dynamicznym
Pasmo przenoszenia
Od 0 do 0,3 częstotliwości zasilania
Znamionowa wartość
napięcia wyjściowego
Od kilku [mV] do kilku [V]
Napięcie
niezrównoważenia
Poniżej 1% wartości znamionowego napięcia
wyjściowego
Czułość maksymalna
Kilkadziesiąt miliwoltów na mikrometr na wolt
15
Przetworniki pojemnościowe
a) o zmiennej odległości miedzy okładzinami;
b) o zmiennej efektywnej powierzchni okładzin;
c) o zmiennej wypadkowej przenikalności elektrycznej
16
< 100 mm
<1m
<10 mm
<1m
Kątowe
Pomiar dotykowy
< 10 mm
Bezdotykowy
Mierzona
wielkość
Kątowe
< 100 µm
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Hallotronowe
Piezoelektryczne
Fotorezystor,
fotoogniwo
Pojemnościowe
Fotodioda,
fototranzystor
O zmiennej wypadkowej
przenikalności dielektr.
O zmiennej efektywnej
powierzchni okładzin
O zmiennej odległości
między okładzinami
Reluktancyjny
(oporność magnetyczna)
Elektrodynamiczny
Wiroprądowy
Transformator
różnicowy
Tensometryczne
Potencjometryczne
Przetwornik
Indukcyjnościowe
Fotoelektryczne
X
X
X
X
17
Do pomiarów niewielkich przemieszczeń wykorzystuje się
czujniki:
- optoelektroniczne, których przykładowy zakres pracy
0-50[mm] przy dokładności 5 mikrometrów i zasilaniu +5
[V] prądem 120 [mA]. Czujnik przesyła sygnał wyjściowy w
protokole RS422 lub TTl
18
Czujniki optyczne
19
Czujniki laserowe
20
Dalmierz laserowy
21
22
Potencjometryczne liniowe, których przykładowy zakres
pomiarowy wynosi 0 - 30[mm] przy dokładności 0,5[mm],
średnia żywotność 10 mln. Przemieszczeń, zakresy tych
czujników sięgają 2000 [mm], czujniki te nie nadają się do
pracy w warunkach drgań i silnych przemieszczeń
23
Czujniki indukcyjne, których przykładowy zakres pomiarowy
wynosi 100[mm], przy dokładności większej 1[%], pomiar
bezstykowy
24
Czujniki ultradźwiękowe
25
Czujniki tensometryczne
Tensometr drutowy
wężykowy
nakładka
zabezpieczająca
klej przenoszący
odkształcenia
podkładka
izolująca
drut oporowy
wyprowadzenia do
połączenia
ε1
ΔL 0
L0
σ1
P
E A
E
ε1 νε 2
1- ν2
Katowice, 2011-06-13
σ
E
ΔR
R
k ε
Adam Mańka, [email protected], Katedra Transportu Szynowego, Politechnika Śląska,
26
Adam Mańka, [email protected], Katedra Transportu Szynowego,
Politechnika Śląska, 27
Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety
tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe
ø 0,02 0,05
[mm]
Tensometr wężykowy
Katowice, 2011-06-13
Tensometr kratowy
- Tensometria elektrooporowa -
Tensometry elektrooporowe: pojedyncze tensometry i rozety
tensometryczne: wężykowe, kratowe, zygzakowe, foliowe, półprzewodnikowe
Tensometr foliowy
Katowice, 2011-06-13
- Tensometria elektrooporowa -
Magnetyczne, często wykorzystywane jako czujniki
zbliżeniowe
29
Jako przemieszczenie kątowe może być też mierzenie
odchylenia od pionu. Czujnik do pomiaru takiej wielkości
nazywany jest INKLINOMETREM
Inklinometr
optoelektroniczny
impulsowy
Dane elektryczne
Liczba działek na
900/1800
obrót
Rozdzielczość
0,1°/0,05°
kątowa
Napięcie
+5VDC
zasilania
±0,5V
Pobór prądu
17mA,
typowo
max40mA
Sygnały
wyjściowe A, B,
TTLC, dla 1800 bez prostokątne
znacznika 0
Źródło światła diody IRED
Max częst..
sygnał
75kHz
wyjściowego
Żywotność LED
30000h
30
http://www.wobit.com.pl/index.html
31