5.2.2.3 Odporové snímače mechanického namáhania – tenzometre

Odporové snímače mechanického namáhania sa vo všeobecnosti označujú názvom tenzometre. Zmenu vodivosti kovov pri ich namáhaní a deformácii objavil Kelvin už v roku 1856. Prvé pokusy s napínaním voľných odporových drôtikov boli vykonané v roku 1928. Podľa druhu použitého materiálu sa rozlišujú dve hlavné skupiny tenzometrov:

- kovové tenzometre,

- polovodičové tenzometre.

Uvažujme ťahom namáhaný valcový vodič s dĺžkou l, ktorého odpor sa dá vypočítať podľa vzťahu

Zaťažuje sa ťahom. Po úpravách môžeme zjednodušene základnú rovnicu odporovej tenzometrie

napísať v tvare

ΔR / R = K⋅(Δl / l) (5.6)

kde

K sa nazýva koeficient deformačnej citlivosti tenzometra (K - faktor, angl. gauge factor). Predstavuje

základnú metrologickú charakteristiku odporového tenzometra. Určuje sa experimentálne a

výrobca ho udáva pre každý tenzometer s určitou toleranciou.

V prípade polovodičových tenzometrov je v porovnaní s kovovými tenzometrami pomerná zmena odporu

v závislosti od pomerného predĺženia omnoho väčšia, ale aj značne nelineárna. Obvykle sa predpokladá

kvadratická charakteristika

ΔR / R = (C1 + C2 ⋅ Δl / l)⋅ Δl / l = K ⋅ ΔΔl / l (5.7)

kde

K = C1 + C2 ⋅ Δl / l je koeficient deformačnej citlivosti pre danú hodnotu pomernej deformácie.

Koeficienty C1 a C2 sa určujú experimentálne a ich hodnoty sa uvádzajú v ateste, ktorý je k tenzometrom

od výrobcu priložený.

5.9 Magnetostrikčné snímače

Pojem magnetostrikcia zvyčajne zahŕňa javy vznikajúce vzájomným pôsobením magnetických a mechanických stavov feromagnetických materiálov. Snímače využívajúce rôzne prejavy magnetostrikčného

javu sa dajú rozdeliť do nasledujúcich kategórií:

- magnetoelastické snímače,

- magnetoanizotropné snímače,

- snímače využívajúce Wiedemannov jav,

- snímače využívajúce zmenu remanentnej magnetickej indukcie.

Magnetostrikčné snímače sa používajú najmä na meranie mechanických napätí, ťahových a tlakových síl, krútiacich momentov, prípadne na meranie ďalších odvodených veličín. Vo všeobecnosti sú vhodné a použitie v ťažkých pracovných podmienkach. Sú to robustné snímače, ktoré aj v takomto prostredí majú vyhovujúcu životnosť a prevádzkovú spoľahlivosť. Dovolená chyba merania býva menšia ako 1 % meracieho rozsahu.

5.9.1 Magnetoelastické snímače

Zmena permeability pri mechanickom namáhaní feromagnetických materiálov je úmerná mechanickému

napätiu σ a ďalším materiálovým konštantám.

Z podmienky rovnováhy hustoty mechanickej energie a zmeny hustoty magnetickej energie spôsobenej deformáciou, s uvážením závislosti koeficienta magnetostrikcie od magnetickej indukcie, sa dá vyjadriť základná prevodová charakteristika snímača

μσ

λ

μ

μ

2

s

Na použitie v snímačoch sú vhodné také feromagnetické materiály, ktoré

majú veľkú hodnotu permeability a koeficienta magnetostrikcie, a naopak, malú hodnotu indukcie pri nasýtení. Kryštalické magnetické materiály mávajú hodnotu koeficienta magnetostrikcie v rozsahu od 1⋅10-6 až do 9⋅10-6.

Aby nedochádzalo ku zmene magnetického odporu magnetického obvodu vplyvom parazitných vzduchových medzier, musí sa feromagnetický obvod 1 vyrobiť so zabrúsenými stykovými plochami. Kvôli teplotne kompenzácii sa zvyčajne hlavné vinutie 2 dopĺňa ďalším teplomerným vinutím 3. Výstupnou veličinou snímača je zmena indukčnosti.

Pre magnetoelastické snímače je perspektívne použitie amorfných magnetických materiálov (kovovýchskiel), ktoré majú väčšiu citlivosť a lepšiu stabilitu, väčšiu hraničnú hodnotu σ a väčšiu tvrdosť. Napr. zliatina Fe80B14Si6 má o rád väčšie dovolené napätie σmax = 1500 Pa, koeficient magnetostrikcie λs = 30⋅10-6 a citlivosť niekoľkonásobne vyššiu v porovnaní s tradičnými zliatinami Fe-Ni.

Magnetické obvody snímačov z amorfných magnetických materiálov majú zvyčajne tvar prstenca.

Primárne vinutie sa napája impulzmi s frekvenciou niekoľkých kHz. V dôsledku mechanického namáhania prstenca, zvyčajne v radiálnom smere, sa mení amplitúda impulzov v sekundárnom vinutí.

7.9.2 Magnetoanizotropné snímače

V otvoroch magnetického obvodu, tvoreného telesom z plechov alebo plným feromagnetickým materiálom, sa nachádza primárne a sekundárne vinutie . Tieto dve cievky vytvárajú transformátor.

V stave bez mechanického namáhania sa vďaka dokonalej geometrickej a magnetickej symetrii vo

výstupnom vinutí indukuje iba minimálne napätie. Mechanické zaťaženie vytvorí oblasť zvýšenej permeability pod uhlom α od hlavnej uhlopriečky. Silovým pôsobením sa tak vytvorí magnetická anizotropia, ktorej dôsledkom je zväčšenie väzby medzi vstupným a výstupným vinutím. Magnetický tok sledujúci smer zníženého magnetického odporu vytvorí zložku kolmú k ploche vinutia cievky 2. V tomto vinutí sa generuje napätie zníženého magnetického odporu vytvorí zložku kolmú k ploche vinutia cievky 2. V tomto vinutí sa generuje napätie.

Výhodou magnetoanizotropných snímačov je dostatočná úroveň výstupného signálu, ktorý nevyžaduje zaradenie zosilňovačov do meracích obvodov. Nevýhodou je citlivosť na vonkajšie magnetické polia. Magnetoanizotropné snímače sa dajú realizovať na báze rovnakých materiálov ako snímače magnetoelastické

5.5.1 Elektromagnetické snímače

V elektromagnetických snímačoch sa magnetický tok najčastejšie mení zmenou impedancie magnetického obvodu. Meraná veličina pôsobí na kotvu a spôsobuje zmenu vzduchovej medzery δ = x0 ± x(t), a teda aj zmenu magnetického odporu Rm a magnetického toku φ. Táto zmena indukuje v snímacej cievke 3 napätie.

Výstupné napätie snímača je úmerné rýchlosti pohybu pohyblivej feromagnetickej časti magnetického obvodu.

5.9.3 Snímače založené na princípe Wiedemannovho javu

Wiedemannov jav (1884) sa prejavuje tým, že tyč kruhového prierezu alebo rúrka z vhodného magnetostrikčného materiálu, ktorá je na jednej strane votknutá, sa skrúti okolo vlastnej osi, ak na ňu súčasne pôsobí pozdĺžne a kruhové magnetické pole. Snímače často využívajú inverzný Wiedemannov jav:

budenie kruhovým magnetickým poľom a skrútenie rúrky, ktorou prechádza budiaci prúd. Výstupom je napäťový signál indukovaný v snímacej cievke, ktorý vytvára pozdĺžne magnetické pole.

Wiedemannov snímač z pozostáva z feromagnetickej rúrky, magnetovanej striedavým

prúdom I, ktorý prechádza pozdĺž rúrky a vytvára kruhové pole s vektorom intenzity Hc v smere rovnobežnom

s plochou snímacej cievky. Indukované napätie Uv sa v tomto prípade rovná nule. Pri skrútení

rúrky o uhol α sa vektor intenzity poľa otočí o uhol ϕ. Vznikne tak zložka kruhového poľa Hl,

kolmá na vinutie snímacej cievky, ktorá v nej vyvolá indukované napätie úmerné uhlu α

Uv = K ⋅ ε

kde

K je citlivosť snímača,

e je pomerná deformácia.

V praktických aplikáciách sa môže intenzita budiaceho poľa zvýšiť budiacim vinutím s desiatkami závitov, prevlečených dutinou rúrky. Snímacia cievka môže mať niekoľko tisíc závitov. Zvyškové výstupné napätie vzniká v dôsledku chyby vzájomnej kolmosti obidvoch cievok a v dôsledku existujúcej kapacitnej väzby medzi budiacou a výstupnou cievkou. Z ďalších parazitných vplyvov treba uviesť najmä teplotu, hysterézu a nevratné magnetické javy. Vplyvom teploty sa menia vlastnosti torzného deformačného člena - jeho modul pružnosti, permeabilita aj koeficient magnetostrikcie. V závislosti od teploty sa mení aj odpor budiaceho vinutia. Chybu hysterézy snímača ovplyvňuje výber magnetického materiálu a jeho tepelné spracovanie. V magneticky tvrdých materiáloch dochádza k nevratným zmenám od rušivých magnetických polí, ktoré spôsobujú drift nuly snímača a menia jeho citlivosť.

5.9.4 Snímače využívajúce zmenu remanentnej indukcie

Pri mechanickom namáhaní a deformácii feromagnetických materiálov dochádza nielen k zmenám ich permeability, ale sa mení aj remanentná magnetická indukcia. Závislosť medzi mechanickým napätím σ a zmenou remanentnej indukcie ΔB je v určitom rozsahu namáhania lineárna

Výstupné napätie je teda úmerné časovej zmene sily, ktorá pôsobí na feromagnetikum snímača. Magnetostrikčné snímače tohto typu sú vhodné najmä na meranie časových zmien silového a momentového zaťaženia, zrýchlenia a podobne, nie na merania v ustálenom stave. Medzi výhody týchto snímačov patrí konštrukčná jednoduchosť, robustnosť, pomerne veľká vlastná frekvencia. Medzi nedostatky sa zaraďuje náročná kalibrácia, zmena vlastností magnetického obvodu s časom a menšia presnosť.