c:usersuserdocumentsmaŠinski fakultet banja...

S A D R Ž A J

1. UVOD 2 1.1. Definicije osnovnih velićčina senzora 3

2. UOPŠTENO O SENZORIMA SILE I MOMENTA 5

2.1. Opšte karakteristike mjerenja sile i momenta 5 2.2. Fizikalna osnova mjerenja sile i momenta 7 2.3. Principi gradnje senzora sile i momenta 9

3. SENZORI SILE 13 3.1. Principi i metode određivanja sile i mase 13 3.2. Instrument i uređaji za mjerenje sile 14

3.2.1. Mehanički dinamometri 15 3.2.2. Elastični mjerni pretvarači 17 3.2.3. Elektrootporni tenzometarski dinamometri 25 3.2.4. Elektromagnetni dinamometri 26 3.2.5. Hidraulički i pneumatski dinamometri 27

4. SENZORI MOMENTA 29

4.1. Dinamometarski metod mjerenja momenta 30 4.2. Mjerenje momenta pomoću torzionog naprezanja 31 4.3. Bezkontaktni senzori momenta 32 4.4. Povezivanje sa računarom 33

MAŠINSKI FAKULTET BANJA LUKA SENZORI SILE I MOMENTA

OSNOVE MEHATRONIKE

2

Aleksandar Kecman, 8075 17.6.2010

1 UVOD

Ako su aktuatori „mišići“, onda su senzori „čula“ svakog mehatroničkog sistema. Svaki mehatronički sistem obavezno uključuje senzorsku, upravljačku i aktuatorsku jedinicu. U takvom sistemu, senzorska jedinica ima zadatak da informiše kontrolnu jedinicu o tome šta se trenutno događa u sistemu. Na osnovu tih informacija i željenog ponašanja sistema kontrolna jedinica daje zadatke aktuatorskoj jedinici o tome koje aktivnosti je potrebno preduzeti tako da bi stvarno ponašanje sistema bilo što bliže (ili ako je moguće indentično) željenom ponašanju.

Prema tome, senzori su uređaji koji na osnovu promjene fizikalnih veličina na ulazu (temperatura, kretanje, sila, pritisak, itd) proizvode srazmjerne izlazne signale (električne, mehaničke, itd). Ako se signali definišu kao materijalni nosioci informacije raznih fizikalnih veličina, onda se senzori mogu definisati kao pretvarači jednog oblika signala (energije) u drugi oblik. Ovo pretvaranje je uvijek na niskom energetskom nivou, itj. na nformacionom nivou. Zato se termini „pretvarač“ (eng. transducer) i senzor često koriste kao sinonimi. Tako na primjer, temperaturni senzor termopar na promjenu temperature na ulazu odgovara srazmjernom promjenom električnog napona na izlazu. Ovo pretvaranje se može shvatiti u smislu mjerenja, jer je izlazna veličina ustvari mjera ulazne veličine – mjerene veličine.

Postoji različiti nivoi realizacije senzora. Najčešće se oni pojavljuju samo kao pretvarači signala, dok su ostali elementi, kao što je prilagođavanje i pojačavanje izlaza senzora , smješteni u drugom dijelu sistema kao posebne jedinice. Međutim, često je zajedno sa pretvaračem signala u isto kućište integrisano analogo pojačalo, vidi sliku 3.1 u tom slučaju takav senzor se naziva integrisani senzor. Ako je pored analognog pojačala u istom kućištu smješten A/D konverter i mikrokontroler, onda takav senzor u skladu sa softverom u mikrokontroleru (Cµ ) može da komunicira sa


OSNOVE MEHATRONIKE

3


spoljnim svijetom i da samostalno donosi neke odluke. Zbog toga se takav senzor naziva intiligentni senzor.

A

D

pretvarač-senzor

integrisani senzor

intiligentni senzor

iz

lazn

a ve

ličin

a(a

nalo

gna/

digi

taln

a)

analognopojačalo

analogni signal

digitalni signal

primarnaelektričnaveličina

ulaz

na v

elič

ina

Cµ

Slika 1.1. Inteligentni sensor

1.1. Definicije karakterističnih veličina senzora Prije nego što krenemo sa predstavljanjem različitih tipova senzora definišimo neke veličine kao što su: mjerno područje, rezolucija, osjetljivost, greška, ponovljivost, tačnost, mrtva zona, itd. Ove veličine karakterišu mjerne sposobnosti i prilagodljivost senzora za pojedine primjene. Definišimo neke od njih.

Mjerno područje je razlika između maksimalne i minimalne ulazne vrijednosti za koje će senzor dati pravi izlaz. Ovu vrijednost deklariše proizvođač. Na primjer termopar koji mjeri temperaturu od -50 0C do 750 0C ima mjerno područje 800 0C.

Rezolucija je najmanja promjena (prirast) ulazne veličine koju senzor može registrovati. Tako inkrementalni enkoder sa 1024 impulsa po obrtaju ima rezoluciju

1 obrtaj 360 stepena stepen0.3516

1024 impulsa 1 obrtaj impulsu× = .

Osjetljivost senzora se definiše kao promjena izlaza za promjenu ulaza. Za analogni senzor osjetljivost je u uskoj vezi sa nagibom tangente na ulaznu izlaznu karakteristiku senzora. Za digitalni senzor osjetljivost zavisi od rezolucije senzora.


OSNOVE MEHATRONIKE

4


Greška senzora se definiše kao razlika između izmjerene i prave vrijednosti. Postoje različiti razlozi koji dovode do greške, kao što su: greška kalibracije, greška zbog opterećenja izlaza, greška zbog osjetljivosti senzora na djelovanja drugih veličina (npr. kod promjene opterećenja pomoću mjerne trake na otpor trake utiče i temperatura a ne samo promjena otpora zbog opterećenja - izduženje).

Ponovljivost se odnosi na sposobnost senzora da da identičan izlaz za iste vrijednosti ulazne veličine.

Tačnost senzora je obrnuto srezmjerna grešci, odnosno tačnost je veća ako je greška manja.

Mrtva zona je područje ulaza koja su bliska nuli a za koje je izlaz senzora nula. Ova josobina čini senzore nelinearnim u jednom diujelu njihove karakteristike. Ona je u uskoj vezi sa nekim drugim nelinearnim osobinama kao što je histereza.


OSNOVE MEHATRONIKE

5


2 UOPŠTENO O SENZORIMA

SILE I MOMENTA

2.1. OPŠTE KARAKTERISTIKE MJERENJA SILE I MOMENTA

Potreba za senzorima sile u robotici. Industrijski robot (manipulator) je mehanizam koji se sastoji od nekoliko segmenata povezanih u seriju. Kod izvršavanja radnih operacija segmenti se kreću u odnosu jedan na drugog, po unaprijed zadanoj putanji. Prema tome, upravljanje određenom operacijom u suštini se svodi na poziciono upravljanje. Tokom izvršavanja automatskih operacija kao što su asembliranje, brušenje ili zavarivanje itd. robot kontroliše svoje kretanje na osnovu informacija o poziciji sve dok ne dođe u kontakt sa radnim predmetom. U tom trenutku vizuelna detekcija pozicije radnog predmeta je uglavnom otežana. Ako bi robot nastavio putanju u uslovima neodređenosti, kontaktne sile bih postale sve veće što bi dovelo do loma radnog predmeta ili robota.

Da se to ne bi desilo, robot nakon detekcije kontakta prelazi sa pozicionog upravljanje na upravljanje zasnovano na informacijama o silama. Sistem automatskog upravljanja, sa negativnom spregom po sili, pomjera robot u smjeru smanjivanja razlike između aktuelne vrijednosti kontaktne sile i referentne vrijednosti zadane programom, što je ekvivalentno praćenju pozicije kod pozicionog upravljanja. Usaglašavanje ili prelaz sa jednog na drugo upravljanje može biti pasivno (manipulator elastičan, sistem sa pozicionom povratnom spregom) ili aktivno (manipulator čvrst, sistema sa povratnom spregom po sili).


OSNOVE MEHATRONIKE

6


Aktivno usaglašavanje je upravljanje pri kojem senzori sile daju informaciju za korekciju pozicije manipulatora. Kada sila prečazi određenu vrijednost, robot se kreće u smjeru smanjenja sile. Ova metoda je primjenljiva za bilo koju operaciju. Izvršavanje automatskih operacija na ovaj način je veoma sporo, jer je ukupno vrijeme odziva aditivna kombinacija vremena za dobijanje informacije, generisanje upravljačkog dejstva, proračun putanj i za pozicioniranje servomotora.

Pasivni prelaz sa pozicionog upravljanja na upravljanje silom je brži i jednostavniji, jer je pretvaranje sile u pomeraj robota direktno proporcionalno i nije potrebna programska podrška.

Tipologija senzora sile i momenta. Za mjerenje sile i momenta postoji veliki broj različitih senzora. Klasični senzori mjere samo jednu odponenti ovih vektorskih veličina. U robotici je to nedovoljno jer su ponekad potrebne informacije o sve tri komponente sile �(��, �� , ��) i sve tri komponente momenta �(��, ��, ��), odnosno neophodno je potpuno poznavanje vektora.

Slika 1.1 Mjesta ugradnje senzora sile na robotu


OSNOVE MEHATRONIKE

7


2.2. FIZIKALNA OSNOVA MJERENJA SILE I MOMENTA

Sila je jedna od osnovnih veličina u mehanici. U skladu sa drugim Njutnovim zakonom, sila F se definiše kao proizvod mase m i ubrzanja a: � = ∙ � (1.1)

Jedinica za silu je N=kgm/s2 . Ako je masa poznata, sila se prema jednačini (1.1), određuje mjerenjem ubrzanja. Metode njerenja na ovoj osnovi nazivaju se akcelerometarske metode, a odgovarajući senzori sile su, u suštini, akcelerometri.

Sila zemljine teže (težina) jeste sila koja nastaje usljed djelovanja Zemljinog ubrzanja g: = ∙ � i uvijek je usmjerena prema centru mase Zemlje. Ubrzanje Zemline teže nelinearno zavisi od geografske širine a I nadmorske visine h:

� = 9,78049(1 + � ∙ �� − � ∙ ��2�) − (� + � ∙ ��2�)ℎ + !ℎ� gde su konstante a=5,3024·10−3 , b=5,9·10−7 , c=3,0855·10−6 , d=2,2·10−9 i e=7,2·10−13 .

Deformacija tjela djelovanjem sile definiše se na osnovu Hukovog zakona: � = � ∙ " gdje je c krutost tijela, a l vektor deformacije tijela. Ako je poznat koeficijent krutosti, tada je silu moguće odrediti merenjem deformacije. Najveći broj senzora sile radi na ovom principu.

Mjerenje sile mjerenjem deformacije realizuje se na jedan od sledećih načina:

1) Mjeri se površinska deformacija tijela ili deformacija elastičnog elementa u senzoru. Elastični elementi mogu biti opruge, prstenovi, cilindri i specijalno profilisani elementi. Elastični senzori sile po ovoj metodi su, zapravo, senzori pomeraja.

2) Mjere se parametri ili svojstva elastičnog elementa u senzoru koji se mjenjaju pod uticajem sile. Takvi parametri su: električni i magnetni otpor, frekvencija vlastitih oscilacija i drugi, a senzori sile se označavaju kao pijezoelektrični, magnetootporni, magnetoelastični itd.


OSNOVE MEHATRONIKE

8


3) Mjere se svojstva tela koja se menjaju djelovanjem sile. Takve osobine su: brzina prostiranja zvuka, provođenje toplote, električni i magnetni otpor, prelamanje svjetlosti, a senzori se označavaju kao ultrazvučni, termoelastični, magnetoelastični, fotoelastični, jonizacioni, interferometarski i drugi.

Problemi merenja sile. Sila se mjeri u širokom opsegu 0 − 109 N, pri dinamičkim promjenama 0 − 100 kHz , u temperaturnom intervalu od −270 oC do 1 200 oC, u različitim sredinama i pod delovanjem raznovrsnih smetnji. Četiri su glavna problema koja treba riješiti u toku gradnje senzora sile. Prvi problem odnosi se na tačnost, budući da se merenje sile u pravilu mora provoditi sa tačnošću koja je veća nego kod mjerenja drugih veličina. U tehničkim merenjima zahtjeva se tačnost ± 1−2%, ali je u automatizovanoj proizvodnji i robotici neophodna tačnost ± 0,1− 0,2%. Ovo usložnjava gradnju senzora kako u metodsko-teorijskom tako i u praktičnom pogledu. Drugi problem nastaje zbog toga što je sila vektorska veličina, a senzor na izlazu daje skalarnu veličinu. Treći problem je ograničenost mehaničkih naprezanja u realnom materijalu. Uvek se smatra da sila deluje u jednoj tački, ali kako realni materijali mogu izdržati samo ograničena naprezanja, kod merenja sile moraju se definisati određeni segmenti površine na kojima djeluje ista sila. U praksi se mjeri sila, mada se u suštini radi o polju sila. Četvrti problem odnosi se na pojavu da se sensor sile ponaša na jedan način kada je sam, a na drugi način kada je ugrađen u složeni mjerni sistem.

Mjerenje intenziteta i pravca. U numerički upravljanim mašinama i u robotici, pored intenziteta sile F i momenta M, potrebna je i informacija o pravcu njihovog djelovanja. To se ostvaruje merenjem komponenata vektora F i M duž koordinatnih osa x, y i z. Intenzitet sile u tom slučaju određuje se pomoću jednačine:

� = #�� + �� + ��

Između pojedinih komponenata i intenziteta postoje relacije: Fx = F cosα, Fy = F cos β i Fz = F cos γ


OSNOVE MEHATRONIKE

9


na osnovu kojih se mogu izračunati i uglovi α, β i γ , koji definišu pravac djelovanja sile F. Mjerenje intenziteta i pravca djelovanja sile vrši se pomoću višekomponentnih senzora sa specijalno profilisanim elementima osetljivim na deformacije duž i oko osa ili pijezokristalni diskovi sječeni duž određene ose (slika 1.2).

Slika 1.2 Šestokomponentni sensor a.) komponente sile i momenta b.) izgled senzora

2.3. PRINCIPI GRADNJE SENZORA SILE I MOMENTA

Gradnja senzora sile određena je fizikalnim principom konverzije sile u izlazni signal, kao i tehnološkim i ekonomskim mogućnostima. Ne izlazeći iz ovih ograničenja može se dobiti veliki broj različitih senzora. Da bi se dobile optimalne tehničke karakteristike treba voditi računa o: orincipu monolitnosti, principu integriranja, principu simetrije i principu optimalnih konstruktivnih granica.

Princip monolitnosti podrazumjeva da se mjerenja sile unutar senzora prenosi samo preko jednog elementa. Kada se gradi iz više elemenata, trenje koje se javlja na spojevima utiče na tačnost senzora. Ne može se uvijek izbjeći veći broj elemenata za prenos sile, ali se njihov broj može smanjiti tako da se prelazi izmeđe elemenata postave što dalje od mjesta na kome je primarni element konverzije, zatim tako što će se veza između elemenata postaviti na mjestu najmanje deformacije, i upotrebom elemenata sa što sličnijom geometrijom i mehaničkim karakteristikama.


OSNOVE MEHATRONIKE

10


Slika 1.3 Princip monolitnosti konstrukcije tenzootporničkog senzora sile: a.) osnovna konstrukcija, b.) poboljšana konstrukcija udaljavanjem spoja ploče i cilindra od mjesta sa najvećom deformacijom c.) poboljšana konstrukcija smanjenjem deformacije na spoju pleče i cilindra

Princip integriranja podrazumjeva da sensor mora imati osjetljivi element sa nekom površinom poprečnog presjeka kako bi se izbjegla pojava velikih mehaničkih naprezanja na mjestu djelovanja sile. Zato je sensor tačniji što je osjetilni element bolje raspoređen po pofršini na koju djeluje sila. U tom smislu integriranje može biti prividno (o polju deformacije, tj. o mjerenoj sili koja ga stvara sudi se prema vrijednosti polja u samo jednoj tački) ili stvarno (o polju deformacije i sili sudi se na osnovu vrijednosti u više tačaka). Konstruktivna rješenja gde je omogućeno prividno integriranje su: postavljanje osjetilnog elementa što dalje od mjesta gde djeluje sila, ograničavanje oblasti (tačaka) na koju deluje sila na ulazu u senzor, te simetričnost senzora. Stvarno integriranje omogućava se: postavljanjem više osetilnih elemenata po vanjskoj površini senzora, postavljanjem više senzora po poprečnom preseku senzora, te primjenom kontinualno raspodeljenog osjetilnog elementa (slika 1.4.).


OSNOVE MEHATRONIKE

11


Slika 1.4. Princip integriranja u gradnji otporničkog senzora sile: a.) osnovna konstrukcija, b.) udaljavanje mjesta djelovanja sile od mjesta gdje je postavljen osjetilni element, c.) smanjenje ulazne površine pomoću sferne veze, d.) osjetilni elementi po vanjskoj površini senzora, e.) osjetilni elementi po površini poprečnog

presjeka, f.) kontinualno raspoređeni osjetilni elementi oi površini poprečnog presjeka

Princip simetrije podrazumjeva da su stanja senzora asimetrična kada je u pitanju djelovanje mjerene sile, a simetrična kada su u pitanju sva druga djelovanja. Poželjno je da karakteristika senzora bude maksimalno nesimetrična na promjene mjerne sile, tako da otklon senzora u neopterećenom stanju bude mjera djelujuće sile.

Princip optimalnih konstruktivnih razmjera. Za svaku konkretnu šemu konstrukcije postoji donja i gornja granica nominalnih vrijednosti sila. Nije poželjno prelaziti definisani opseg jer van njega tačnosti senzora postaju sve veće, a može doći i do trajnih oštećenja senzora.

Struktura senzora. Jednokomponentni senzori sile smještaju se u hermetički zatvorenim kućištima, pogodnom za montažu. Na kućištu se nalaze mehanički priključci i električni izvodi. Mada se rad senzora sile zasniva na različitim fizi čkim principima, u strukturi svakog senzora se mogu prepoznati karakteristični elementi (Slika 1.5.)

• Ulazni element, kaji ima ravnu ili sfernu površinu u zavisnosti od toga da li ulazna sila djeluje na istezanje ili sabijanje


OSNOVE MEHATRONIKE

12


• Element koji prenosi silu od ulaznog elementa do konvertora koji pretvara silu u električni signal

• Selector koji uklanja uticaj poprečnih sila, a pravi se u obliku jednostruke ili dvostruke membrane koja se montira na kućište

• Osigurač od preopterećenja • Elastični element koji pretvara ulaznu silu u određenu

deformaciju • Konvertor sile u električni signal • Konvertor sile u električni signal koji se postavlj na mjesto

najveće deformacije • Kućište, koje štiti sensor od spoljnih mehaničkih i termičkih

uticaja.

Slika 1.5. Principijalna konstrukcija senzora sile


OSNOVE MEHATRONIKE

13


3

SENZORI SILE 3.1. METODE I PRINCIPI

ODREĐIVANJA MASE I SILE

Sila je vektorska veličina, u mehanici i tehnici jedna od

osnovnih i najbitnijih veličina koju treba mjeriti i kontrolisati. Sila

je definisana prema drugom Newtonovom zakonu kao proizvod

mase i ubrzanja � = ∙ � . Djelovanjem sile dolazi do deformacije.

Deformacija se može mjeriti, pa zatim se može i sila mjeriti. Takav

način određivanja sile je indirektni postupak. Direktnim mjerenjem

može se direktno odrediti vrijednost sile. Uređaji za direktno

mjerenje sile nazivaju se dinamometri.

Masa se može odrediti direktno i indirektno. Direktno

određivanje mase vrši se u klasičnoj mehanici i u teoriji relativiteta.

U klasičnoj mehanici to se radi za kretanje planeta, a u teoriji

relativiteta da se uspostavi veza između mase i energije. Indirektno

određivanje mase vrši se u mehanici, astronomiji, termodinamici,

hemiji i atomskoj fizici. Na slici 2.1. se vide detaljnije podjele:


OSNOVE MEHATRONIKE

14


Slika 2.1. Metode i principi određivanja mase

3.2. INSTRUMENTI I UREĐAJI ZA MJERENJE SILE

Direktno mjerenje sile ostvaruje se specijalnim uređajima koji se zovu dinamometri. Red dinamometra može biti zasnovan na različitim principima. Dinamometri prema principu rada mogu biti:

• Mehanički, • Električni, • Hidraulični • Pneumatski.

Prema funkciji mogu biti: • Potezni i potisni, • Za ispitivanje kompresije.

Za mjerenje sile mogu se koristiti različite vrste pretvarača:

• Tenzonometarske mjerne trake, • Induktivni pretvarači, • Kapacitivni pretvarači, • Piezoelektrični pretvarači,


OSNOVE MEHATRONIKE

15


Osnovni zahtjevi koje svaka konstrukcija dinamometra mora da zadovolji:

• Visoka osjetljivost u cijelom opsegu mjerenja, tj. brzo reagovanje na promjenu sile,

• Mala inercija, • Praktičnost i ekonomičnost u radu.

Električni ninamometri (senzori sile) se najčešćekoriste jer imaju manju inerciju, veću tačnost i osjetljivost na mehaničke i ostale dinamometre.

3.2.1 MEHANIČKI DINAMOMETRI

Postoje dva osnovna pristupa mjerenju sile odnosno vaganju, i

to direktno poređenje i indirektno poređenje pomoću kalibrisanih

pretvarača. Direktno poređenje je je tehnika balansa odnosno nulta

metoda. Balans se kod mehaničkih vaga uspostavlja putem

jednakosti momenata. Metoda jednakosti momenata zove se i

metoda simetrije. Sila i njeno djelovanje na kraku se izjednačuju sa

nekom drugom silom koja djeluje na drugom kraku. Na ovaj način

se vrši vaganje odnosno direktno određivanje sile na drugom

poznatom kraku. Na slici 2.2 prikazane su vage koje rade na

principu simetrije i višestepene vage.

Pomoću ove vage mjeri se teret W, za mjerenje se koriste

manji tereti W pi Ws. Tereti W1 i W2 mogu se zamjeniti teretom

W.


OSNOVE MEHATRONIKE

16


Slika 2.2. Višestepeni sistem za vaganje

Kod vaganja postoji relacija poluge:

$ ∙ � = %� ∙ � i $ ∙ � = %1 ∙ &∙'( +%2 ∙ ℎ

Sa slike se vidi da postoji proporcija dužina )' = &

(, pa je:

$ ∙ � = ℎ(%1 +%2) = ℎ ∙ % Kombinacijom prethodnih izraza dobija se:

%� ∙ *+ = % ∙ ), ili % = %� ∙ *∙,+∙) = - ∙ %� Gdje je - = � ∙ �/� ∙ ℎ - faktor množenja skale.


OSNOVE MEHATRONIKE

17


Slika 2.2.a Vaga na principu simetrije

3.2.2 ELASTIČNI MJERNI PRETVARA ČI

Više vrsta mehaničkih pretvarača koriste elastične elemente ili njihovu kombinaciju za mjerenje sile. Rezultat je linearnost između ulaza i izlaza pretvarača. Veličina krutosti se uzima direktno kao mjera proporcionalnosti za silu ili opterećenje, ili kao sekundarni pretvarač da se pretvori pomjeranje u drugi oblik izlaza. Najčešće je to električni signal.

Elastični članovi zadovoljavaju relaciju:

/ = �/0 Gdje je: F – sila koja se mjeri, Y – ukupno pomjeranje, K – konstanta krutosti. Za elastični element se određuje konstanta krutosti K u zavisnosti od toga koji je element. U tabeli 2.1. dati su neki elastični element ii konstante krutosti K i jednačine iz kojih se ode dobijaju:


OSNOVE MEHATRONIKE

18


Tabela 2.1. Elastični elementi i konstante krutosti

Konsrukcija elastičnih pretvarača

Dizajn detektora - transducera elementa je funkcija od kapaciteta i potrebne osjetljivosti i prirode sekundarnog transducera. Zavise od prirode ulazne veličine: da li je statička ili dinamička. Sve


OSNOVE MEHATRONIKE

19


slučajeve nije moguće analizirati, ali se može uzeti u obzir nekoliko osnovnih faktora. Što je veća osjetljivost i maksimalni izlaz po jedinici ulaza to su bolje karakteristike koje transducer ima.

Elastični član treba da ima što manju krutost u odnosu na deformacije koje proizvodi opterećenje - sila. To se postiže kombinacijom faktora uticaja. Često je potrebno kreirati krutost konstrukcije ćelije opterećenja na račun osjetljivosti i tada konstruisati sekundarni dio pretvarača. Drugi faktor koji uključuje osjetljivost je vrijeme odziva ili vrijeme postizanja ravnoteže.

Napon u materijalu je ograničavajući faktor u bilo kom članu za silu. Treba da naponi ostanu ispod granice elastičnosti i to ne samo u nekim tačkama nego na svim mjestima. Zaostali naponi utiču na ukupno naponsko stanje. Ukoliko se sabiraju sa postojećim, naponi rastu i javlja se nelinearnost i histerezis.

Na slici 2.3. data je blok shema mjernog sredstva prvog reda za mjerenje sile.

Slika 2.3. Blok dijagram senzora za silu

Mehanički elastični elementi su opruge koje pretvaraju silu –

masu u elastično pomjeanje opruge ili elastičnog elementa. Na mehanički osjetljivi član, koji je sastavni dio svakog

pretvarača sile, djeluje se silom F. Kao izlaz iz primarnog dijela pretvarača javiće se kao odgovor signal U. Ako je primarni osjetljivi član opruga, odgovor na djelovanje sile je sabijanje odnosno istezanje opruge. Pomjeranje se u mehaničkom, električnom ili nekom drugom sekundarnom pretvaraču transfopmiše u signal druge vrste. Ako je mjerni sekundarni dio pretvarača električni na izlazu se javlja električni signal.


OSNOVE MEHATRONIKE

20


Na slici 2.4. jeprikazana šema pretvarača za silu i izvedbeni djelovi pretvarača.

1. Kontaktna površina za prijem sile 2. Dio za prenos sile 3. Kućište senzora 4. Raspoređivač 5. Selector 6. Graničnik 7. Elastični element 8. Osjetlivi elemnt i zbirni uređaj 9. Električni dio 10 Oslonac za prijem sile

Slik 2.4. Konstruktivna šema mjernog pretvarača za silu

Svi djelovi ne učestvuju podjednako u mjerenju sile. Mjerenje direktno zavisi ode elementa za prijem i prenos sile, raspoređivača pomoću kojeg se sila dovodi na elastični član, pretvarača i selektora koji dovodi silu u pravcu mjerenja a silu u ostalim pravcima


OSNOVE MEHATRONIKE

21


zanemaruje. Osim toga pretvarač ima i kućište koje ga štiti od spoljnih uticaja i graničnik u slučaju preopterećenja. Svi ostali djelovi ne učestvuju direktno u mjerenju sile. Prema konstruktivnoj izvedbi mehaničko električni pretvarači mogu se podijeliti prema načinu nastajanja reakcije veze na :

• Pretvarače odvojenog djelovanja kod kojih reakcija nastaje usljed deformacije električki reaktvnog člana

• Pretvarači zajedničkog djelovanja kod kojih se reakcija veze ostvaruje deformacijom elastičnog i električnog člana.

• Pretvarači sa kompenzacijom sile kod kojih se reakcija stvara električnim uravnoteženjem.

Savremeni pretvarači rade na prvom principu na prethodno opisani način. Pretvarači drugog tipa mehaničko opterećenje prenosi na aktivni material bilo da je on električni ili magnetni. Pri tome se mehanička deformacija ogleda u pojavi napona. Zbog toga se i zovu pretvarači zajedničkog djelovanja odnosno elastično-električnog pretvaranja. Treći tip pretvarača stvara reakciju elektromagnetnim putem. Kompenzacija u kolu se vrši sve dok se deformacija ne svede na nulu. Vrste elastičnih članova

Najjednostavniji deformacioni element za merenje sile je opruga, a upotrebljavaju se i elementi u obliku prstena, rama, dvostrukog prstena, cilindra, prizme, konzole i drugi (slika 2.5.). Pomoću elastičnih senzora može da se mjeri deformacija, pomeraj, pritisak ili sila. Sila se meri u opsegu 0 − 107 N, a tačnost i opseg instrumenta zavise od elastičnog elementa i senzora koji detektuje nastalu deformaciju. Opruga omogućava mjerne opsege 0, 1− 10 kN i malu tačnost, a prsten omogućava mjerne opsege od 2 kN do 2 MN i tačnost ± 0, 2 − 0,5%. Elastični senzori sile najčešće se i nazivaju prema načinu merenja deformacije: elektromagnetni (induktivni, transformatorski, sa LVDT-pretvaračem), kapacitivni, otpornički (sa ugljenim otpornikom, sa tenzoelementima, poluprovodnički sa p-n prelazom, potenciometarski), magnetoelastični, rezonantni (sa strunom), te kompenzacioni.


OSNOVE MEHATRONIKE

22


Slika 2.5. Elastični elementi za mjerenje sile a) cilindrični, b) sa smicanjem, c) za izradu vaga, d) specijalni elementi sa višestrukim

prstenovima Na slici 2.6. Prikazane su principijelne izvedbe navedenih elastičnih senzora sile.


OSNOVE MEHATRONIKE

23


Slik 2.6. Pregled elastičnih senzora sile


OSNOVE MEHATRONIKE

24


3.2.3 ELEKTROOTPORNI TENZOMETARSKI

DINAMOMETRI Za mjerenje sila gotovo isključivo se koriste električni

dinamometri. Mjerenje sila električnim dinamometrima se svodi na mjerenje deformacija mjernim trakama na štapu ili prstenu opterećenom silama istezanja ili pritiska, slika 2.1. Da bi se povećala osjetljivost pri mjerenju malih vrijednosti sila, dinamometar se izrađuje u obliku prstena, a mjerne trake povezuju u most. Pri konstrukciji dinamometra štap ili prsten treba da budu tako dimenzionirani da ostanu u elastičnom području. Najvažnija osobina je krutost elastičnog elementa.

Slika 2.7a. Eelektrični dinamometar, a) mjerna ćelija opterećenja na pritisak ili istezanje(desno), b) mjerna ćelija sa ćelijama opterećenja

raspoređenim po obimu prstenastog dinamometra


OSNOVE MEHATRONIKE

25


Slika 2.7b. električni dinamometar, mjerna ćelija sa membranom

3.2.4 ELEKTROMAGNETNI DINAMOMETRI Osim električnih koriste se i elektromagnetni dinamometri

koji rade na induktivnom principu. Prema konstrukciji mogu biti dinamometri sa:

• Membranom, • Cijevnim elementom, • Prstenastim elastičnim članom.

Na slici 2.8. je prikazana ćelija opterećenja sa elektromagnetnom kompenzacijom:


OSNOVE MEHATRONIKE

26


Slika 2.8. Elektromagnetna kompenzacija sile

3.2.5 KAPACITIVNI DINAMOMETRI Djelovanjem sile na kapacitivni mjerni pretvarač, kapacitet

kondenzatora se mijenja, slika 2.9. Najčešće se koriste pretvarači za silu sa membranama, sa prstenastim članom i cjevastim elastičnim članom.

Slika 2.9. Kapacitivni pretvarači sile

Kapacitivni pretvarači sile se koriste za mjerenje sila od 10N do 10 MN. Imaju male dimenzije pa su pogodni za ugradnju na ograničenim prostorima, imaju male sile trenja i otporne sile.


OSNOVE MEHATRONIKE

27


3.2.6 HIDRAULIČKI I PNEUMATSKI

DINAMOMETRI

Ako se sila nanosi na jednu stranu klipa ili mambrane ,a na drugoj strain djeluje određeni pritisak, treba uspostaviti ravnotežu sila. Na tom principu rade hidraulički i pneumatski pretvarači za silu, slika 2.10.

Slika 2.10. Presjeci hidrauličke i pneumatske ćelije za silu


OSNOVE MEHATRONIKE

28


Klip u hidrauličkom dinamometru ne dodiruje zidove mjerne

ćelije. Kada mjerena sila djeluje na membranu ona se pomjera i time dovodi u kretanje klip koji može da vrši mala kretanja. Pomjeranja klipa se mogu dalje transformirati u signal koji se mjeri i daje informaciju o veličini sile opterećenje ili pritiska. Ovi pretvarači su velikog kapaciteta 22 MN i tačnosti ± 0,5%. Osjetljivi su na temperaturne promjene. Temperaturne promjene u toku mjerenja mogu unijeti grešku od 0,25% sa 10 stepeni promjene temperature.

Pneumatska ćelija je slična hidrauličkoj i radi na sličan način. Razlika je u medijeu koji je u ovom slučaju gasoviti. Pneumatske ćelije koriste membrane za uspostavljanje ravnoteže, umjesto klipova. Promjene opterećenja su velike pa se mjerna membrana mora uravnoteževati postepeno.


OSNOVE MEHATRONIKE

29


4 SENZORI MOMENTA

Moment je izvedena mehanička veličina koja predstavlja proizvod sile F i njenog rastojanja l do referentne ose:

� = � ∙ " = 1 ∙ 2 Gdje je: 1 = ∑ ∙ 4� moment inercije tijela kojim se telo opire ugaonom ubrzanju α. Masa m odnosi se na jednu česticu tjela koja rotira na rastojanju r od ose tjela. Mjerenje momenta je od posebnog značaja za obrtne električne mašine.

Snaga P [W] koju motor sa ugaonom brzinom ω [rad/s] pomoću osovine prenosi na opterećenje je:

5 = � ∙ 6 Problemi koji se javljaju prilikom mjerenja sile prisutni su i

kod merenja momenta. Specifičnosti nastaju zbog tehničke nemogućnosti da se krajevi vratila koji prenosi moment idealno postave u ležište (slika 4.1.). Parametri nepravilnosti spoja osovine i ležišta su:

• paralelno odstupanje a; maksimalno dozvoljene vrijednosti su 0, 8 − 1,2mm

• ugaono odstupanje b–c; maksimalno dozvoljene vrijednosti su 0,3 − 0,8mm

Slika 4.1. Nepravilnosti u ležištu osovine a) paralelno odstupanje, b)

ugaono odstupanje b-c, c) ugaono odstupanje α.


OSNOVE MEHATRONIKE

30


4.1. DINAMOMETARSKI METOD MJERENJA MOMENTA

Dinamometarski metod mjerenja momenta zasniva se na mjerenju pomoću sile reakcije u ležajevima. Snaga se prenosi od izvora do opterećenja pomoću vratila, zbog čega osovina trpi torziju (slika 4.2a). Snaga (moment) koja se prenosi od izvora do opterećenja može se mjeriti na strani izvora ili na strani opterećenja, a moment se računa kao proizvod sile F i rastojanja L (slika 4.2b i 4.2c).

Slika 4.2. Dinamometarski princip mjerenja momenta: a) prenos snage

pomoću osovine, b) merenje sile na strani opterećenja, c) merenje sile na strani izvora, d) merni sistem


OSNOVE MEHATRONIKE

31


4.2. MJERENJE MOMENTA POMO ĆU

TORZIONOG NAPREZANJA Torziono naprezanje τ vratila proporcionalno je momentu,

odnosno: � = 7 ∙ 1

gde je I = πr3/ 2 moment inercije vratila poluprečnika r. Za mjerenje torzionog naprezanja primenjuju se tenzoelementi. Elementi se postavljaju u pravcu najvećeg naprezanja, tj. pod uglom od 45o u odnosu na osu vratila (slika 4.3.).

Slika 4.3. Senzor momenta sa tenzoelementima i kontaktnim

prstenovima

Potrebna su četiri tenzoelementa, koji formiraju puni most. Na taj način postiže se najveća osetljivost, te najbolja temperaturna kompenzacija i eliminacija uticaja progiba na tačnost mjerenja. Tipična tačnost ovakvih tenziometara je ± 1−2%. Praktični problemi prisutni su kod realizacije spoja mjernog mosta i mjernog uređaja. Klasično rješenje je pomoću kontaktnih prstenova. Prelazni otpor kontakata i termoelektromotorna sila, koja nastaje zbog zagrejavanja kontakata, smanjuju tačnost torziometra. Ovi problemi uspješno se rješavaju kod beskontaktnih senzora.


OSNOVE MEHATRONIKE

32


4.3. BEZKONTAKTNI SENZORI MOMENTA

Beskontaktni senzori momenta grade se na principu mjerenja torzionog naprezanja uz pomoć tenzootporničkih elemenata (slika 4.4a). Induktivni pretvarač u obliku obrtnog transformatora služi za beskontaktno napajanje mosta. Sekundar transformatora spojen je na most preko ispravljača. Proporcionalno mjerenom momentu na mjernoj dijagonali mosta dobija se istosmerni napon ∆Um , koji je priključen na pretvarač napona u frekvenciju f.

Slika 4.4. Beskontaktni senzor momenta sa tenzoelementima:

a) principijelna šema, b) pretvarač napona u frekvencu

U/f-pretvarač napravljen je na bazi integratora u diferencijalnom spoju i komparatora (slika 4.4b). Izlazni napon iz integratora je linearno rastući signal

89 = 1-:;∆8=�> = ∆8=

-: ∙ � koji se na komparatoru poredi sa referentnim naponom Ur . Kada je Ui > Ur , izlazni napon U iz U/f-pretvarača mjenja polaritet. Napon U istovremeno je signal povratne sprege, pa će, sljedstveno tome,


OSNOVE MEHATRONIKE

33


polaritet promeniti i napon mosta ∆Um i referentni napon komparatora Ur . Integriranje se u nastupajućem poluperiodu vrši sa suprotnim znakom, te se tako iz integratora formira pilasti napon. Pile su strmije što je napon ∆Um veći. Na izlazu komparatora generiše se niz četvrtki, čija frekvencija iznosi 5 − 15 kHz i proporcionalna je naponu mosta ∆Um , odnosno mjerenom momentu:

? = 84-: ∙ -�+-@-@ ∙ 8 = A ∙ �

Frekventno modulisani signal sa ulaza U/f-pretvarača ide na kapacitivni kolektor ili obrtni transformator. Za frekventnu demodulaciju potreban je f/U pretvarač. On se obično pravi kao generator impulsa konstantne širine (monostabilni multivibrator), kojem se u seriji dodaje niskopropusni filter. Beskontaktni senzor momenta na bazi tenzootporničkih elemenata primenjuje se za mjerenje momenta u opsegu 10Nm do 50 kNm . Tipična tačnost je ± 0, 1% , a osetljivost 1− 100 mV na 1 V napajanja mosta pri maksimalnoj vrednosti momenta. U kombinaciji sa senzorom ugaone brzine može se ostvariti višefunkcionalni mjerni uređaj, koji na svome izlazu daje informacije o brzini ω, momentu M i snazi P = ωM.

4.4. POVEZIVANJE SA RAČUNAROM

Povezivanje sa računrom ostvaruje se preko standardnog komunikacionog interfejsa, na primer RS232. Na tržištu postoje raznovrsni datalogeri razvijeni za prikupljanje podataka o mjerenoj sili/momentu, kao i posebni programi za obradu tih rezultata. Na slici 4.5. prikazan je digitalni uređaj koji služi kao displej i jedinica za podešavanje nule, kalibraciju u odnosu na tabelirane referentne vrijednosti, proračun i korekciju greške, prikaz komponenti duž i oko osa u odabranim jedinicama.


OSNOVE MEHATRONIKE

34


Slika 4.5. Povezivanje senzora sile i momenta sa mikroprocesorskim displejom

c:usersuserdocumentsmaŠinski fakultet banja...

Documents