Senzori Sile, Ubrzanja i Vibracije

SEMINARSKI RAD IZ KOLEGIJA

RAČUNALA I PROCESI SENZORI SILE, UBRZANJA I VIBRACIJE

STUDENT: Marko Arambašić 1116 Svibanj, akademska godina 2005./2006. 1

UVOD DAS (Data Acquisition System)1 se može definitrati kao: električni instrument, ili grupa međusobno povezanih električnih hardverskih komponenti, namjenjenih za mjerenje i kvantizaciju analognih signala i prihvaćanje digitalnih, u cilju digitalne analize ili obrade i poduzimanja povratno-upravljačkih akcija. Kako je prikazano na Slici 1, tipična struktura jednog DAS-a sastoji se od tri fundamentalna dijela: senzora, modifikatora2 i aktuatora.

Slika 1 Da bi se na ulaz u A/D pretvornik doveo analogni signal koji je posljedica promatranja neke pojave potrebno je izvršiti pretvorbu vrijednosti temperature, pritiska ili nekog drugog fizikalnog ili kemijskog procesa u analogni signal. Takvi pretvornici nazivaju se mjerni pretvornici ili senzori. Dakle, služe za pretvaranje neelektričnih veličina u električne napone (naponske signale3). Svaki senzor prije uporabe treba kalibrirati4. Funkcija modifikatora je prikupljanje signala sa izlaza senzora, obrada tih signala i pobuda aktuatora. Modifikator se sastoji od većeg broja analognih i digitalnih komponenti (operacijska pojačala, filtri, A/D pretvarači, paralelni i serijski ulazni portovi i dr.). Funkcija aktuatora je da podesi status procesa na način kako to definira aktuator. Aktuator pretvara signale iz električnog oblika u druge fizičke oblike. Mnogo je izvedbi mjernih pretvornika, ali svi oni u osnovi sadrže osnovne elektroničke komponente kao što su: 1. Termistori: To su otpornici kojima se vrijednost mijenja promjenom temperature: ∆R = k∆T (∆R=promjena otpora, k=temperaturni koeficijent, ∆T=promjena temperature). Izrađuju se kao NTC i PTC (posistor) otpornici ovisno o predznaku temperaturnog koeficijenta k. Dok prvima otpor s porastom temperature pada, drugima raste. Ukomponirani su u sklop s nekim izvorom napona i otpornim djeliteljem i ako treba pojačalom, te daju dobar temperaturni senzor. 2. Ugljeno-tlačni otpornici: Rade po načelu zbijanja zrnaca ugljene prašine. Najpoznatiji proizvod je poznat kao mikrofon u telefonskoj slušalici. No u mjerne svrhe radije se koriste ugljene pločice 1

DAS - sustav za prikupljanje podataka i upravljanje procesima. Modifikator - blok za obradu signala i procesiranje. 3 Razlikujemo tri vrste naponskih signala: analogni, digitalni (diskretni) i impulsni (TTL). Impulsni signali su slični digitalnim signalima, imaju stalnu amplitudu i samo dvije moguće vrijednosti (niski i visoki nivo). 4 Kalibrirati - utvrditi vezu između ulaza i izlaza senzora ili mjerne naprave. 2

2

posložene u stupić, kojemu se ukupna vrijednost otpora smanjuje što je pritisak na stupić veći. Dakle, imaju zadaću za pretvorbu tlačne sile u analogni signal. 3. Mjerni poteciometar: Žičani ili ugljeno-slojni potenciometri već odavno su poznati u elektronici i primjeni u svakodnevnom životu. Izrađuju se kao otporna žica ili ugljeni sloj kružnog ili spiralnog oblika duž kojeg se preko klizača očitava napon na spoju klizača koji je mehanički povezan s okretnom osovinom postavljeno uzduž osi spirale potenciometra. Dakle, pretvaraju kružno kretanje u analogni signal. Na tim načelima radi poznata igrača palica (popularnije joy-stick). 4. Tenzometrijska traka: Istezanjem otporne žice ona postaje tanja i dulja te joj se prema tome mijenja otpor. Ostane li se pri tome u granicama elastičnosti materijala žice pri prestanku istezanja vrijednost otpora poprima prvobitnu veličinu. Obično je izrađena kao više paralelnih žičanih elemenata spojenih serijski čvrsto ugrađenih u plastičnu traku. Ako se takva traka zalijepi za zgradu ili dio stroja tvrdim ljepilom može se pratiti istezanje ili torzija, odnosno mehaničko opterećenje. U primjeni se najčešće koriste kod vaga. 5. Induktivni mjerni pretvornici: Ako se u zavojnicu ukomponira pomični magnet , ili obratno, svaki međusobni pomak zavojnice i magneta inducira u zavojnici nekakav napon. Što su promjene brže inducirani napon je veći. To načelo koristi se za mjerenje vibracija i ubrzanja, ili broja okretaja. Dakle načelo slično radu magnetske glave u kazetofonu. Služiti će u krugovima regulacije broja okretaja i slično. 6. Kapacitivni mjerni pretvornici: Sama osobina kondezatora da se na njemu mijenja napon i spoju s otpornim djeliteljem povezanim na generator izmjenične struje ukazuje već da će služiti u senzorima za nadzor promjene frekvencije. To svojstvo koristiti će se u sondama za praćenje razine tekućine u tankovima, nadzor prostorija i slično. Vari-cap dioda veće je prije spomenuta. 7. Foto-elementi: Imaju osobinu da im se promjenom jakosti osvjetljenja mijenja otpor. Izrađuju se kao foto-otpor, foto-dioda ili foto-tranzistor. U kombinaciji s nekim izvorom svijetla služiti će od brojanja predmeta pa do nadzora prostora. 8. Piezo-električni5 pretvornici: Svojstvo kvarca ili titanata je da pri savijanju na suprotnim površinama stvara različite količine naboja te stoga i potencijalnu razliku, kao i suprotno tome da potencijalna razlika izaziva mehaničko savijanje, svojstvo je ovih pretvornika. Služe za praćenje brzih izmjeničnih promjena. Mjerni pretvornici (senzori) koji su tema ovog seminarskog rada u sebi sadrže piezo-električne pretvornike. 9. Magnetski pretvornici: Izrađuju se kao otpornici koji mijenjaju vrijednost u zavisnosti od jakosti magnetskog polja. Tu pripadaju magnetske diode i Hallov6 generator kao aktivni element sličan kristalima kvarca. 10. Termo-električni elementi: Dvije zavarene žice od različitih materijala prilikom zagrijavanja spojenog mjesta daju na krajevima napon. Još jedan od pretvornika za praćenje temperaturnih promjena. Slika 2 prikazuje označavanje pretvarača u skladu s Miller-ovim indeksima. 5

Piezoelektricitet – sposobnost određenih kristala da proizvedu napon kad su podvrgnuti mehaničkom utjecaju. (grč. piezein = pritisak, stisnuti). 6 Hallov efekt – odnosi se na razliku potencijala, odnosno napon, suprotnih strana tanke ploče vodljivog ili poluvodljivog materijala u obliku Hall-ove brane ili van der Pauw-ovog elementa kroz koji teče električna struja, nastala magnetskim poljem primjenjenim vertikalno na Hallov element.

3

Solarna ćelija Fotoprovodnik Piezo-otpornik Termopar Hallov-element Magnetotranzistor LED LCD

[rad, elek., 0] [elek., elek., rad] [elek., elek., meh.] [term., elek., 0] [elek., elek., magn.] [elek., elek., magn.] [elek., rad., elek.] [rad, rad., elek.]

Slika 2 Senzori uglavnom daju analogni izlaz. Od njih se u osnovi traži da ne djeluju na svojstva ili ponašanje sredine u kojoj se nalaze. Kod senzora se nastoji na njihovom izlazu dobiti signal proporcionalan fizikalnoj veličini koju mjeri uz minimalni upliv na istu. Osobitosti o kojima treba voditi računa pri korištenju senzora je točnost, odnosno sposobnost približavanja pravoj vrijednosti fizikalne veličine, a koja se ogleda u slijedećim parametrima: - Statička greška - odstupanje između pokazane i stvarne vrijednosti fizikalne veličine kada se ova ne mijenja (%). - Dinamička greška - koliko senzor 'kasni' za promjenama fizičke veličine. Svaki senzor posjeduje dinamičku grešku. Ova greška nestaje kad se fizikalna veličina prestane mijenjati. - Greška ponovljivosti - je najveće odstupanje od srednje vrijednosti pri ponovljenom mjerenju nepromijenjene fizikalne veličine. - Mrtvo vrijeme - predstavlja vrijeme potrebno da se promjene fizikalne veličine počnu iskazivati i na izlazi iz senzora. - Mrtva zona - je najveća promjena fizikalne veličine do koje se na izlazu iz senzora još uvijek ne očitavaju promijene. Koji od senzora će se rabiti ovisi o vrsti procesa koji će se pratiti. Predhodno navedeni samo su dio od mogućih koji će se u praksi koristiti. Računa se da danas ima preko 10000 vrsta senzora koji obrađuju više od 100 različitih parametara. Ne postoji nekakva posebna senzorska tehnologija, nego je svaka vrsta i svaki senzor nešto specifično. Pri vrlo zahtjevnim analizama i istraživanjima neće se koristiti samo navedeni senzori, već će oni biti sastavni dio nekog analizatora koji će svoje rezultate isporučiti računali preko A/D pretvornika. Takvi analizatori obično su vrlo skupi uređaji renomiranih tvrtki i gotovo su nezaobilazni u izučavanju kemijskih procesa. Kako postoji više vrsta sklopovskih struktura u koje se pretvornik može ugraditi (obično PC ili Macintosh prema vrsti procesora, odnosno paralelni ili PCMCI ako se priključuje na računala preko nekog od standardnih priključaka), treba paziti prilikom nabavke pretvornika u koji sustav se predviđa ugraditi. Naravno uz uređaj se mora dobiti: -

upravljačka programska potpora (driver) za OS računala programska potpora za nadzor unosa izmjerenih podataka i njihovu obradu

4

SILA Sila je jedan od najelementarnijih pojmova u fizici. To je vektorska veličina (određena je pravcem, smjerom i iznosom) kojom opisujemo međudjelovanje tijela i njegove okoline i kojom objašnjavamo uzroke kretanja. SI jedinica za silu je njutn čija je oznaka N (nazvana tako prema Isaacu Newtonu). Osnovna podjela sila: -

-

kontaktne: rezultat su fizičkog kontakta dvaju tijela. Informacija o djelovanju neke kontaktne sile se sustavom prenosi mijenjanjem međumolekulskih razmaka u strukturi materijala. Vrste kontaktnih sila: -

aktivne - npr. sila kojom reket udara tenisku lopticu

-

reaktivne - npr. sila kojom na nas djeluje podloga na kojoj stojimo

-

vanjske - sve kontaktne sile koje na neki sustav djeluju izvana

-

unutrašnje - sile međudjelovanja elemenata unutar nekog sustava

volumenske (masene): vezane su uz postojanje polja sila u nekom prostoru. One djeluju na sve čestice tijela, tj. prožimaju ga u njegovom cijelom volumenu. U ovu vrstu sila spadaju elektromagnetske, gravitacijska i inercijske sile. Elektromagnetske i gravitacijske sile su uvijek aktivne sile, dok su inercijalne sile svojevrsna analogija reakcijskih sila.

UBRZANJE Ubrzanje je umnožak promjene brzine i vremena za koje to ubrzanje traje. Ono je konstantno i nikad se ne mijenja. Oznaka u fizici za ubrzanje je a(akceleracija), a jedinica metar po sekundi za sekundu tj. m/s2. Ubrzanje je vektorska veličina. Ako želimo izračunati brzinu u nekom trenutku ubrzanog kretanja, moramo znati koliko je vremena prošlo od kad se tijelo počelo kretati (t) i kolika mu je brzina bila prije početka ubrzanja, odnosno kolika mu je početna brzina (v0). Brzina u nekom trenutku ubrzanog kretanja se računa po sljedećoj formuli: v = a * t + v0. Oznaka za prijeđeni put je s, što dolazi od grč. spartium = put. Put promjenjivog kretanja se računa po formuli: s = (a*t2)/2.

5

Gravitacijsko ubrzanje je ubrzanje koje tijelo dobiva pri slobodnom padu (padu sa određene točke, bez utjecaja bilo koje druge sile osim sile Zemljine teže. To ubrzanje iznosi približno 10 m/s2, a ono ovisi o blizini određenog tijela od središta Zemlje. To zavisi od geografskog položaja i nadmorske visine. Gravitacijsko ubrzanje se označava slovom g, i pomoću njega i formule: G=m*g izračunavamo težinu određenog tijela, gdje je m masa tog tijela, a G težina. II Newtonov zakon glasi: "Intenzitet sile koja pokreće tijelo jednak je umnošku mase tijela i ubrzanja koje tijelo dobija djelovanjem te sile." tj. F=m*a, gdje je (F) sila koja pokreće tijelo i daje mu ubrzanje, (m) masa tog tijela i (a) ubrzanje koje tijelo dobiva djelovanje te sile. Budući da je jedinica za silu 1 Njutn (oznaka N), a za masu 1 kg, dobivamo da je jedinica za ubrzanje 1 m/s2.

VIBRACIJA Svako gibanje koje se ponavlja u nekom vremenskom intervalu zove se vibracija ili oscilacija. Gibanje njihala je tipičan primjer vibracija, kao i opruga i elastični štap. Vibracije u sustavu uključuju prijenos potencijalne energije u kinetičku i obrnuto. Ako je sustav prigušen, energija se gubi u svakom ciklusu. Razlikujemo: 1) slobodne vibracije: Zamislimo masu m obješenu na oprugu konstante k. Jednadžba gibanja mase m prema drugom Newtonovom zakonu je: ma = −kx. Akceleracija je derivacija brzine pa je: a = x′′. Naposlijetku dobivamo da je: mx′′ = −kx. Tu jednadžbu rješavamo po x te dobivamo opće rješenje jednadžbe: x(t) = Acos (ωt) + B sin (ωt). 2) slobodne vibracije s viskoznim7 prigušenjem: Jednadžba ovakvog sustava dana je kao: mx′′ + Fprigusivača + kx = 0. Fprigusivača ovisi o konstanti c prigušivača i o brzini, tj. dana je izrazom Fprigusivača = cx′. Na taj način dobivamo jednadžbu: mx′′ + cx′ + kx = 0 čije je opće rješenje dano izrazom: x(t) = Aeλ1t + Beλ2t.

7

Viskoznost – mjera unutarnjeg trenja tekućina.

6

3) prisilne vibracije: Prisilne vibracije zbivaju se kada npr. na masu m koja se nalazi obješena na opruzi konstante k još djelujemo nekom silom f. Tada jednadžba za masu m koja izlazi iz 2. Newtonovog zakona glasi: mx′′(t) + kx(t) = f(t). Partikularno rješenje tražimo u obliku xp(t) = AF cos (t). Uvrštavanjem u prethodnu jednadžbu dobije se da je:

Razlikujemo i sustave s: 1) jednim stupnjem slobode8 (npr. jednostavno njihalo): Sustavi s više stupnjeva slobode su oni sustavi koji zahtjevaju jednu koordinatu da bi ih se u potpunosti moglo opisati. Gibanje njihala može se predstaviti u terminima kuta θ ili u terminima Kartezijevih koordinata x i y. Ako se koordinate x i y uzmu za opisivanje gibanja, mora se uočiti da te koordinate nisu nezavisne. Povezane su, zbog konstante duljine niti l, relacijom: x2 + y2= l2. Pa iz toga vidimo da bilo koja od koordinata x i y može biti odabrana za opisivanje gibanja njihala. 2) više stupnjeva slobode: Sustavi s više stupnjeva slobode su oni sustavi koji zahtjevaju dvije, tri ili više koordinata da bi ih se u potpunosti moglo opisati. Koordinate koje koristimo za opisivanje sustava zovemo generalizirane koordinate i najčešće ih označavamo s qi (najčešće su to kartezijeve i nekartezijeve koordinate). Da bi se jasnije mogle uočiti pojedine bitne karakteristike oscilacija sustava s više stupnjeva slobode, cjelokupno ponašanje sustava razlaže na njegove osnovne komponente. Te osnovne komponente predstavljaju one najbitnije elemente gibanja sustava i nazivaju se osnovni modovi ponašanja (gibanja). Ponašanje čitavog sustava tada se može prikazati kao superpozicija (linearna kombinacija) njegovih osnovnih modova.

8

Stupnjevi slobode - minimalni broj nezavisnih koordinata potrebnih da se u potpunosti odredi pozicija svih dijelova sustava u svakom trenutku vremena t.

7

SENZOR SILE Senzor sile služi za pretvorbu sile (opterećenja) u napon, tj. pretvorbu neelektrične veličine u lako mjerljivu električnu veličinu, što je zadaća i svih ostalih senzora. Slika 3 prikazuje ovisnost napona (elektične veličine) na izlazu o povećanju sile (neelektične veličine) na ulazu. Senzori sile rade na principu da se otpor silikonskih piezootpornika poveća kada se otpornici savijaju pod bilo kojom primjenjenom silom. Senzor usmjerava silu kroz nehrđajuči čelični klip, direktno na silikonski osjetljivi element. Količina otpora se mijenja razmjerno s količinom sile. Ta promjena u otpornom krugu rezultira odgovarajučom razinom mV izlaza. Senzori sile predstavljaju električne osjetilne naprave koje se koriste za mjerenje sila napetosti, kompresije i poprečne sile. Čelije napetosti se koriste za mjerenje pravocrtne sile koja se "rastavlja" duž jedne osi, obično označene kao pozitivna sila. Čelije kompresije se koriste za mjerenje pravocrtne sile koja se "sastavlja" duž jedne osi, obično označene kao negativna sila. Smicanje je uzrokovano napetošću ili kompresijom duž pomaknutih osi. Proizvode se u mnogo različitih paketa i konfiguracija. Važni parametri senzora sile su mjerni raspon i točnost. Mjerni raspon je raspon zahtjevanog linearnog izlaza. Većina senzora sile zapravo mjeri pomicanje strukturnih elemenata da bi odredili silu. Sila je povezana s deformacijom kao rezultatom kalibracije. Senzori sile mogu imati jedan od mnogih tipova izlaza. To uključuje analogni napon, struju, frekvenciju, sklopku ili alarm, serijski i paralelno.

Slika 3 Senzori sile mogu biti mnogi različiti tipovi naprava uključujući senzorski element ili čip, senzor ili pretvarač, instrument ili mjerač, mjerni instrument ili indikator, te snimač i totalizator. Senzorski element ili čip označava običnu napravu kao što je mjerni instrument za mjerenje natezanja, ili onu bez ugađanja ili pakiranja integriranog signala. Senzor ili pretvarač je mnogo složenija naprava sa pakiranjem i/ili ugađanjem signala koji je narinut i daje izlaz kao što je istosmjerni napon, struja petlje od 4-20mA i dr. Instrument ili mjerač je samosadržavajuća jedinica koja daje izlaz kao što je display na ili u blizini naprave. Obično uključuje i obradu signala i/ili njegovo ugađanje. Ispitivač ili indikator je naprava koja ima (obično analogni) display i neelektrični izlaz kao što je mjerni instrument za mjerenje napetosti. Snimač ili totalizator je instrument koji stalno snima, totalizira, ili prati mjerenje sile. Uključuje jednostavnu sposobnost unosa podataka ili napredne osobine kao što su matematičke funkcije, crtanje grafova itd. Najčešće tehnologije senzora sila su piezoelektronika i mjerni instrument za mjerenje natezanja. Za piezoelektrične naprave, piezoelektrični materijal je kompresiran i generira 8

naboj koji je uvjetovan pojačalom naboja. Za mjerne instrumente za mjerenje natezanja, promjenjivi otpornici osjetljivi na natezanje su vezani za dijelove strukture koji se deformiraju pri mjerenju. Ovi mjerni instrumenti za mjerenje natezanja se obično koriste kao elementi u krugu Wheatstonovog mosta, koji se koristi za mjerenje. Također oni obično zahtijevaju pobudni napon, i daju izlaznu osjetljivost razmjernu pobudi. Osobine vezane za senzore sile uključuju dvoosno, troosno mjerenje i temperaturnu kompenzaciju (omogučuje smanjenje ili uklanjanje osjetilnih grešaka unatoč temperaturnim oscilacijama). Ostali bitni parametri su radna temperatura, maksimalni udar i maksimalna vibracija. Primjeri senzora sile: 1) Digitalni mjerač snage HAG-serije (0 - 10N do 0 - 1000 N): Mjerači snage HAG-serije (Slika 4) su digitalni uređaji koji mjere tlačnu ili vlačnu silu na sondu (uređaj ima precizni pretvarač za mjerenje tlačne i vlačne snage), vrlo su jednostvani za rukovanje i lagani za prijenos. RS 232 sučelje za prijenos izmjerenih podataka na PC ili prijenosnik te istovremeno mjerenje i kontrolu. Mjerač snage može biti montiran na postolje (uz korištenje adaptacijske ploče) kako bi se izvršio niz različitih mjerenja u seriji, pri istraživanju i razvoju. Mjerači snage HAG serije se uglavnom koriste u industriji (strojarstvo, medicina, biomedicina, kemija), istraživanju i razvoju, te za različite primjene pri obrazovanju. Uređaj je dragocijen u razvoju proizvodnje, provjeri pakiranja, provjeri za transport itd.

Slika 4 Karakteristike: lagan, jednostavan za uporabu, ima robustno kućište, daje točne i brze rezultate, izravno očitavanje vlačne (+) I tlačne (-) sile, RS 232 priključak i digimatic analogni priključak, memorija za 512 izmjerenih vrijednosti, zadržavanje vršnih podataka za tlačnu i vlačnu silu, zadržavanje pdataka na displayu, zaštita od preopterećenja do 150% (pune skale, prikaz do 105%), prikaz preopterećenja, 4 brojke na LCD displayu (frekvencija 9

displaya namjestiva 10 do 320 Hz), napajanje baterijom (punjivom), prikaz stanja baterije (kontrola napona), ISO certifikat o kalibracii, software, test postolje i škripac su opcionalni. Software (Slika 5) omogućava prijenos podataka na PC ili laptop za izradu trenutnog grafa / dijagrama za vrijeme mjernja ili iz pohranjenih podataka. Svi podaci se također mogu poslati u druge grafičke programe kao što je Excel.

Slika 5 Tehnički podaci: Model uređaja Raspon Rezolucija Točnost Display Napajanje Težina Izmjere

HAG10N 0 - 10 N 0.001 N ±2%

HAG 100 N HAG 500 N 0 - 100 N 0 - 500 N 0.01 N 0.1 N ±2% ±2% 4 brojke LCD nadopunjiva NiCd baterija 460 g 230 x 65 x 35 mm

HAG 1000 N 0 - 1000 N 0.1 N ±2%

2) Prijenosni mjerač snage NR-serije (0 - 10 do 0 - 1000 N): NR serija digitalnih mjerača snage (Slika 6) mjeri napetost ili pritisak primjenjen na sondu (uređaj ima precizan pretvarač za mjerenje tlačne ili vlačne sile). Uređajem je vrlo jednostavo rukovati, a lagan je za prijenos. RS 232 sučelje omogućava prijenos rezultata mjerenja na PC ili laptop bilo samo zbog provjere ili zbog kontrole procesa. Otporno metalno kućište daje izuzetnu zaštitu od vanjskih elektromagnetnih zračenja, dok gumirani ovoj daje zaštitu od trešnje i padova. Mjerač snage se može montirati na testno postolje (uz korištenje prilagodbene ploče) za vršenje serije različitih mjerenja pri istraživanu i razvoju. Mjerači snage NR serije se uglavnom koriste u industriji (strojarstvu, medicini, biomedicini, kemiji), istraživanju i razvoju i za različita mjerenja pri obrazovanju. Uređaj je vrlo dragocijen u razvoju proizvodnje, provjeri pakiranja, provjeri za transport itd.

10

Slika 6 Karakteristike: lagan, jednostavan za uporabu, robustno kućište, daje brza i točna mjerenja snage, izravno očitanje vlačne (+) i tlačne (-) snage, odaberivi mjerni rasponi (N, kN, daN, g, kg, lb, oz), programabilni raspni tolerancije, RS 232 priključak i digimatic analogni izlaz, zadržavanje vršnog podatka za vlačnu i tlačnu silu, c memorija, zadržavanje podatka na displayu, zaštita od preopterećenja do 150% (pune skale, prikaz do 105%), prikaz preopterećenja, pozadinsko osvjetljenje displaya (s prikazom grafa), napajanje internom baterijom, prikaz ispražnjenosti baterije (kontrola napona), 8 sati rada bez dopunjavanja, ISO certifikat o kalibraciji, software, testno postolje i škripac mogući kao dodatna oprema. Software (Slika 7) omogućava prenos podataka na PC, izradu grafova / dijagrama za vrijeme mjerenja. Svi podaci se također mogu poslati u druge grafičke programe kao što je Excel.

Slika 7 Tehnički podaci: Model uređaja Raspon Rezolucija Točnost Frekvencija mjerenja Display Napajanje

NR 10N

NR 50 N

NR 100 N

NR 250 N

NR 500 N

NR 1000 N

0 - 10 N 0.001 N

0 - 50 N 0.005 N

0 - 100 N 0 - 250 N 0.01 N 0.02 N ± 0.1 % 1 Hz

0 - 500 N 0.05 N

0 - 1000 N 0.1 N

grafički s dijagramom i 5 brojki interna, nadopunjiva baterija 11

Težina Izmjere

460 g 230 x 65 x 35 mm

3) Senzor sile FlexiForce A201: FlexiForce A201 senzor sile (Slika 8) je ultra tanki, prilagodljivi, tiskani krug. Sastoji se od dva sloja filma substrata (polyester/polyamid). Na svakom sloju nalazi se vodljivi materijal, srebro, uz sloj tinte osjetljive na pritisak. Upotrebljava se ljepilo da spoji dva sloja substrata i tako stvori senzor sile. Aktivno osjetljivo područje definirano je srebrnom krugom na vrhu tinte osjetljive na pritisak. A201 senzori su određeni muškim pinovima. Dva vanjska pina konektora su aktivna, a centralni pin je neaktivan. Na slici 9 prikazan je primjer pobudnog kruga za djelovanje senzora sile.

Slika 8

Primjer strujnog kruga FlexiForce senzor sile ponaša se kao otpornik osjetljiv na silu u električnom krugu. Kada je senzor neopterećen, otpor mu je jako velik. Kada se optereti, otpor opada. Otpor se očitava

12

spajanjem multimetra na vanjska dva pina, i zatim djelovanjem sile na osjetljivo područje. Slika 10 pokazuje ovisnost vodljivosti i otpornosti o sili.

Slika 10 Jedan od načina da integriramo A201 senzor sile u napravu je da ga ukomponiramo u krug sila-napon. Slika 11 prikazujre tipični odziv senzora sile.

Slika 11 Tehnički podaci: Debljina Duljina

0.008" (.208mm) 8" (203mm) 6" (152mm) 4" (102mm) 2" (51mm) 0.55" (14mm) 0.375" diametralno (9.53mm) 3 muška pina +/-5%

Visina Osjetljivo područje Konektori Greška linearnosti 13

Ponovljivost Histereza Drift Vrijeme odziva Radna temperatura Mjerno područje sila

+/-2.5% pune skale (80% sile) 4.5% pune skale (80% sile) 5% logaritamske skale 5 ms 15°F - 140°F (-9°C - 60°C) 0-1 lb. (4.4 N) 0-25 lbs. (110 N) 0-100 lbs. (440 N)

14

SENZOR UBRZANJA Akcelerometri se koriste za mjerenje, prikazivanje i analiziranje ubrzanja. Obično se sastoje od pretvornika, displaya za prikupljanje podataka i bilo kojeg displaya ili neke vrste izlaza na računalo ili neki drugi instrument. Imaju mnoge osobine kao što su totaliziranje, ugrađeni ili odvojivi display i snimanje podataka. Mogu biti stacionarni ili prijenosni. Akcelerometri mogu imati senzore koji mjere u jednoj ili više smjerova mjerenja, pri čemu su ti smjerovi ortogonalni jedan prema drugom. Ove naprave rade na mnogo operativnih principa. Najčešći tipovi akcelerometra su piezoelektrični, kapacitivni, mjerni instrument za mjerenje natezanja, rezonantni, piezootporni i magnetno induktivni. Povrh svega akcelerometri mogu ponekad prilagođavati više senzora tako da korisnik može pratiti više različitih procesa ili strojeva u isto vrijeme. Tri glavne osobine se moraju uzeti u obzir pri odabiru akcelerometra: raspon amplitude, frekvencije i uvjeti okoline. Raspon akceleracijske amplitude mjeri se u Gs, a raspon frekvencije u Hz. Što se tiče uvjeta okoline treba misliti na temperaturu, maksimalno opterećenje i vibracije koje će instrument morati podnijeti. To se odnosi na koliko "mučenja" će instrument moći podnijeti prije nego prestane raditi, a ne na vibraciju i ubrzanje koje aparat može izmjeriti. Opcije električnog izlaza ovise o tome kako se sustav koristi akcelerometrima. Uobičajene analogne opcije su napon, struja ili frekvencija. Opcije digitalnog izlaza su standarni paralelni i serijski signali. Još jedna opcija je korištenje akcelerometara sa izlazom promjene stanja prekidača ili alarma. Slijedeće dvije opcije su brzi izlaz ili pomicanje vrijednosti te standardno očitanje ubrzanja. Akcelerometri mogu biti različitog oblika. Kao što je već spomenuto, mogu biti stacionarni ili prijenosni. Još jedna opcija je ručna naprava, što zanči da je instrument dovoljno mali da radi u nečijoj ruci. Korisničko sučelje može biti u obliku analognog ispisa ili kao pravo računalo. Akcelerometrom se može upravljati ručno putem centralnog računala, može imati softwersku podršku za računalno sučelje, ili čak može imati tvrde diskove i prijenosne medije. Kao složena oprema akcelerometri mogu imati više opcija koje mijenjaju njihovu funkcionalnost i korisnost. Neke od njih pokreće neki događaj, samokalibrirajući su, samotestirajući, imaju ugrađene filtre te čak sposobnost da podnesu ekstremne uvjete, kao što su vrućina, vlaga ili prašina. Primjeri senzora ubrzanja: 1) PASCO CI-6558 Rev A: PASCO CI-6558 Rev A senzor ubrzanja (Slika 12) je napravljen za uporabu sa bilo kojim PASCO računalnim sučeljem za mjerenje ubrzanja iz područja pet puta većih od Zemljinog gravitacijskog polja s atočnošću od 0.01 g (g je gravitacijsko ubrzanje). Senzor daje bipolarni izlaz koji može varirati od +5 g do -5 g, ovisno o smjeru akceleracije. Sposoban je razlučiti promjene u ubrzanju reda 1 mg. Ima dvije ugrađene osobine za podešavanje na određene namjene (Slika 13): - dugme za tariranje koje se koristi za podešavanje izlaza na 0 neovisno primjenjenog ubrzanja - filter sa dva podešanja "slow" ili "fast" koji podešava odziv frekvencije senzora ubrzanja na područje pogodno za namjenu

15

Slika 12 Za pokuse kao što je mjerenje ubrzanja dizala i automobila, bira se podešenje "slow". Spori filter smanjuje greške uzrokovane visokofrekventnim vibracijama i bukom. Za namjene uključujući mehaničke sisteme, biramo brzo podešenje.

Slika 13 Data Studio software prikazuje izlaz senzora u m/s2, ili u g. Oprema (Slika14) uključuje senzor ubrzanja, kabel sa 8-pinskim DIN konektorima (Slika 15) i stegu za pričvrščivanje na dinamička kola. Još je potrebno bilo koje PASCO Data Studio računalno sučelje (serije 300, 500, 700 ili 750 za Macintosh ili Windows).

Slika 14 16

Slika 15 Postoje dva načina povezivanja s računalom: povezivanjem senzora ubrzanja sa bilo kojim analognim kanalom sa kabelom (Slika 16a) ili umetanjem DIN priključka senzora ubrzanja u utikač bilo kojeg analognog kanala na računalnom sučelju (Slika 16b).

Slika 16 Tehnički podaci: +/- 5 g ili 50 m/s2 1 V/g 0.01 g ili 0.1 m/s2 0.001 g ili 0.01 m/s2 +/- 1°

Maksimalno upotrebljivo ubrzanje Izlaz senzora Točnost Rezolucija Greška prilagođavanja elementa osjetljivog na ubrzanje Apsolutno maksimalno ubrzanje bez oštećenja elementa osjetljivog na ubrzanje

1000 g za 0.5 ms

2) Accel: Accel senzor omogućava robotima mjerenje ubrzanja. Također se može upotrijebiti i za mjerenje kosine, zbog toga što mjeri i gravitacijsku silu. To je dvokanalna naprava (Slika 17) koja omogućava mjerenje ubrzanja ili kosine duž dvije okomite osi. Slika 18 prikazuje način smještanja senzora.

17

Slika 17

Slika 18 Accel senzor se programira (Slika 19) na način kao i Lego svjetlosni senzor. Budući da je to dvokanalni proizvod, obično je povezan na dva odvojena senzorska ulaza na RCX. Možemo koristiti i samo jedan kanal, ali u tom slučaju to mora biti kanal broj 1.

Slika 19 18

Slika 20 prikazuje odziv senzora ubrzanja i iz nje vidimo da je taj odziv linearan.

Slika 20 Tehnički podaci: Veličina Broj električnih konektora Raspon Zahtijevano napajanje Širina frekvencijskog područja

1.25 x 0.625 x 0.575 inča 2 odvojena (jedan Mindstorm konektor podijeljen) + /- 1.1 g 8.2 V, 7 mA 50 Hz

Senzorski element je polisilikonska struktura prevučena preko silikonske tanke pločice polisilikonskim krilima. Struktura formira diferencijalni kondenzator sa tankom pločicom ispod. Ubrzanje uzrokuje pomak prevučene strukture na tankoj pločici i promjenu kapaciteta. Kapacitet se mjeri i pretvara u izlaz na RCX. Unutrašnjost senzora prikazuje Slika 21.

Slika 21

19

3) Akcelerometar model 354C10: Model 354C10 troosni ICP akcelerometar (Slika 22 i 23) nudi vjerodostojnost i dosljednost ugradnje unatoč maloj veličini, težini od 5 grama i smještanju u šupljinu. Pogodan je za modalne analize, testiranje strukturnih vibracija i općoj namjeni na male strukture, držače, i tiskane krugove. Efekti masenog opterećenja su smanjeni, osiguravajući točno predstavljanje strukturnog pomicanj, kroz frekvencijsko područje od 2 do 8000 Hz. Niskobučni, 10 mV/g signal razlikuje vibracije do 0.003 g.

Slika 22

Slika 23

20

Tehnički podaci: 10 mV/(m/s2) 4905 m/s2 2 - 8000 Hz ≥ 40 kHz +/- 1% ≤ 5% 98100 m/s2 -54 - +121°C keramika 14.0 * 14.0 * 7.6 mm 5g utaknuti kabel (završava 4-pinskim utikačem)

Osjetljivost (+/- 15%) Mjerno područje Frekvencijsko područje (+/- 5%) Rezonantna frekvencija Nelinearnost Transverzalna osjetljivost Granica preopterečenja Temperaturni raspon Osjetilni element Veličina Težina Elekrični konektor

21

SENZOR VIBRACIJE Senozori vibracije su senzori za mjerenje, prikazivanje i analiziranje linearne brzine, posmaka i udaljenosti, odnosno ubrzanja. Mogu se korisiti samostalno ili u sustavu za prikupljanje podataka. Postoji više vrsta takvih senzora. Mogu biti obični osjetilni elementi, upakovani pretvornici, ili senzorski sustav ili instrument, ujedinjavajući osobine kao što su cjelokupni, lokalni ili udaljeni prikaz ili snimanje podataka. Mogu imati jedan ili tri smjera mjerenja, pri čemu su ti smjerovi ortogonalni jedan prema drugom. Ove naprave rade na mnogo operativnih principa. Najčešći tipovi senzora vibracije su piezoelektrični, kapacitivni, mjerni instrument za mjerenje natezanja, rezonantni, piezootporni i magnetno induktivni. Zamjena tradicionalnim senzorima vibracije su oni proizvedeni korištenjem MEMS tehnologije, mokrostojna tehnologija koja omogućije puno manje naprave. Pet glavnih osobina se mora uzeti u ozir kod biranja senzora vibracije: mjerno područje, frekvencijsko područje, točnost, obrnuta osjetljivost i uvjeti okoline. Mjerno područje za ubrzanje može biti u Gs, u m/s2 za linearnu brzinu, te u inčima ili drugim mjerama za premještanje i udaljenost. Frekvencija se mjeri u Hz i točnost se obično predstavlja kao postotak dopustive greške u cijelom mjernom području naprave. Obrnuta osjetljivost se odnosi na silu ortogonalnu na onu koja se mjeri i koju očitavamo. To se također predstavlja kao postotak pune skale dopuštenog ometanja. Što se tiče uvjeta okoline mora se misliti na temperaturu , maksimalno opterećenje i vibracije koje će senzori moći podnijeti. To se odnosi na koliko "mučenja" će instrument moći podnijeti prije nego prestane raditi, a ne na vibraciju i ubrzanje koje aparat može izmjeriti. Opcije električnog izlaza ovise o tome kako se sustav koristi senzorima vibracije. Uobičajene analogne opcije su napon, struja ili frekvencija. Opcije digitalnog izlaza su standarni paralelni i serijski signali. Još jedna opcija je korištenje senzora vibracije sa izlazom promjene stanja prekidača ili alarma. Također ovi senzori mogu imati ubrzanje, brzinu ili premještanje kao izlaz tako da integriraju ili diferenciraju svoj osnovni izlaz. Primjeri senzora vibracije: 1) Mjerač vibracije VC-Check (VibCheck): VibCheck (Slika 24) je idealan u održavanju za brzi pregled vibrirajućih mašina i postrojenja. Ovaj uređaj prikazuje ubrzanje i brzinu direktno na zaslonu instrumenta. Tako se sve nepravilnosti u radu motora i postrojenja brzo i sigurno mogu detektirati i otkloniti. VibCheck se isporučuje sa ispitnom iglom (50 mm) i rukohvatom u kovčegu.

22

Slika 24 Karakteristike: malen, lagan, jednostavno rukovanje, idealan mjerač za praktičare na terenu, ispunjava normu ISO 2372, ABS- sintetičko kućište, 3 1/2 -znamenkasti LCD-display, alarm kod preniskog napona baterije, Peak Hold prikaz, ISO 9000 certifikat (opcionalno). Tehnički podaci:

Mjerna područja

Ubrzanje

0 ... 20 g (g = 9,81 m/s²) 0 ... 50 mms-1

Brzina Rezolucija

Ubrzanje

0,1 g 0,1 mms-1

Brzina Točnost

Ubrzanje

±0,1 g ±0,1 mms-1

Brzina Frekventno područje

10 Hz ... 1 kHz

Napajanje

1 x 9V-blok baterija (PP3)

Veličina

120 x 75 x 35 mm 375 g

Masa Veličina senzora

Drm. 32 mm x 80 mm (rukohvat) 50 mm x 3 mm (ispitna igla) 172 g

Masa senzora

2) Mjerač vibracije TV-300: Mjerač vibracije (Slika 25) nudi brzo i jednostavno mjerenje ubrzanja, titrajnog puta i brzine za ispitivanje vibracija na strojevima i elementima. Naročita prednost mjerača vibracija je u mogučnosti pohranjivanja mjernih vrijednosti direktno u uređaj. Pohranjeni podaci se pomoću opcionalnog PC-kabela u softwarea po želji prenose sa uređaja na PC ili Laptop i naknadno analiziraju. Mjerne vrijednosti se mogu prenositi i u druge software-programe kao npr. MS Excel.

23

Slika 25 Karakteristike: analizira ubrzanje, brzinu, titrajni put, brzinu okretaja i frekvenciju, interni spremnik podataka za 1800 vrijednosti (u 25 grupa sa po 72 vrijednosti), tri mogućnosti prikaza: specijalni modus: pokazuje vršne veličine ubrzanja, brzinu okretaja u RMS, simultani pomak vršnih veličina, common modus: pokazuje samo jedan od gore navedenih parametara sa naročito velikim znamenkama, spectrum modus: pokazuje spektar, analogni (štapićasti) prikaz statusa sa alarmnom funkcijom, podesivo: sat / datum, samoisključenje radi uštede akumulatora (vrijeme podesivo), pozadinsko osvijetljeni LCD-display, veliko frekventno područje, automatska analiza maksimalnih vrijednosti mjernog spektra, podatkovno sučelje, opcionalni software i pisač. Tehnički podaci: Mjerna područja

Ubrzanje Brzina Pomak

Frekventna područja

Ubrzanje

Brzina Pomak Rezolucija Točnost Sučelje Software i kabel Napajanje

Radni uvjeti Dimenzije Masa

0,1 m/s2 ... 392 m/s2 (Peak); (39,95 g force) 0,01 cm/s ... 80 cm/s (RMS) 0,001 mm ... 10 mm (PeakPeak) 10 Hz ... 200 Hz, 10 Hz ... 500 Hz 10 Hz ... 1 kHz, 10 Hz ... 10 kHz 10 Hz ... 1 kHz 10 Hz ... 500 Hz 0,25 Hz +/-5 % RS-232 opcionalni pribor LI-Ionski akumulator (regenerirajući) (uklj.) / jedno punjenje dovoljno za ca. 20 h stalnog mjerenja 0 ... +40 °C /