Ryszard Sikora LTK

Czujniki do pomiaru drgań

Czujniki dzielimy na dwie grupy, tj. czujniki parametryczne i czujniki aktywne.

1. Czujniki parametryczne

W czujniku parametrycznym zmiany badanej wielkości mechanicznej powodują proporcjonalne zmiany elementu pomiarowego czujnika. Najczęściej stosuje się czujniki, w których zmieniającym się parametrem jest opór tensometru, indukcyjność cewki lub pojemność kondensatora.

Do czujników parametrycznych zaliczają się tensometry. Są one naklejane na badany element i mierzą jego odkształcenia względne (wydłużenie powierzchniowe). Zasada ich działania polega na zamianie oporu elektrycznego drutu metalowego lub płytki półprzewodnikowej podczas odkształceń wzdłużnych. Przy rozciąganiu drutu lub płytki półprzewodnikowej opór wzrasta, a przy ściskaniu maleje.

Przetworniki tensometryczne przystosowane są poprzez swoją konstrukcję do pomiaru w różnych płaszczyznach. Poniżej zamieszczone są ich przykłady:

1. platformowy

2. zginany

3. naciskowy

4. ścinany

5. rozciągany

6. uniwersalny

2. Czujniki aktywne

2.1 Czujnik indukcyjny

Indukcyjny czujnik zbliżeniowy działa na zasadzie zmiany swojego pola elektromagnetycznego wskutek przemieszczania przewodnika metalicznego. W przewodniku indukowane są prądy wirowe, które pobierają energię z pola, zmniejszając w ten sposób wysokość amplitudy drgań. Zmiana ta oceniana jest przez czujnik indukcyjny. Czujniki indukcyjne mogą być zasilane prądem stałym lub prądem przemiennym. Reakcją na zbliżany metal jest zamknięcie lub rozwarcie obwodu elektrycznego.

budowa czujnika indukcyjnego:
1. pole czujnika; 2. oscylator; 3. demodulator; 4. przerzutnik; 5. człon sterujący

Przykładowy czujnik indukcyjny:

• precyzyjny czujnik indukcyjny

• oddzielne głowice i wzmacniacze

• średnice głowic: 3mm, 5.4mm, 8mm, M10, M18

• programowany z panelu czołowego wzmacniacza

• funkcje przeskalowania wskazań i wyjść

• wskazanie aktualnej rozdzielczości

• funkcje wymuszania zera

• funkcje blokowania wartości max , min i aktualnej

• możliwość programowania poprzez uczenie

• zasięg działania do 7.0mm

• wyjścia progowe: HIGH, LOW, PASS

• wyjścia analogowe konfigurowalne: 4...20mA lub -4 do 4V

• możliwość przeliczania wyników pomiarów z dwóch wzmacniaczy z modułem kalkulującym

• bezpośredni pomiar grubości

• opcjonalny moduł komunikacyjny i software na PC

2.2 Czujnik piezoelektryczny

Czujnik wykorzystujący zjawisko piezoelektryczne dla przetworzenia zmian kształtu lub sił nań działających na napięcie elektryczne. Znajduje zastosowanie w układach zamiany i pomiaru sił, ciśnienia, prędkości i drgań.

Zwany też przetwornikiem piezoelektrycznym, opiera on się na zjawisku piezoelektrycznym, gdzie ładunek elektryczny usytuowany jest na ściankach kryształu przy deformacji, natomiast zmiana odkształcenia kryształu powoduje zmianę znaku ładunku na przeciwny. Jest to jedno ze zjawisk wykorzystanych w tych czujnikach, drugim zjawiskiem jest tzw. „zjawisko odwrotne” czyli jeśli przyłożymy napięcie do kryształu nastąpi odkształcenie-zmiana wymiaru.
Dla zjawiska pierwszego w czujniku na materiał piezoelektryczny działa masa z siłą F=am która powoduje wytworzenie ładunku proporcjonalnego do natężenia, tak więc jest to czujnik przyspieszenia. Materiał z którego jest wytworzona płytka piezoceramiczna jest to najczęściej kwarc, lub spiek ceramiczny.
Przy zmianach kształtu (rozciąganie, ściskanie) zmiany gęstości ładunku są natychmiastowe, przedstawia to zależność:

Przykładowo dla kwarcu mamy kp = 2,2 x 10- 12 C/N, dla turmalinu kp = 5,9 x 10- 12 C/N, dla ferroelektryków moduł piezoelektryczny jest około 100 razy większy. Przyłożone siły są przekazywane na płytkę piezoelektryczną za pomocą igły, kulki czy też membrany. Największe znaczenie techniczne ze względu na stałość parametrów ma kwarc.
Stwierdzono, że niektóre ciała, m.in. kwarc, sól Seignette'a, turmalin, tytanian baru, mają interesujące właściwości, polegające na tym, że rozciąganie lub ściskanie płytek, odpowiednio z tych ciał wyciętych, powoduje pojawienie się ładunków elektrycznych na powierzchni tych płytek.

Omówimy to na przykładzie kwarcu, kryształ kwarcu o budowie jonowej (jony krzemu dodatnie i jony tlenu ujemne). Trwałość budowy krystalicznej wiąże się z oddziaływaniami ładunków. W krysztale takim rozróżniamy oś z potrójnej symetrii, zwaną osią optyczną, oraz osie x drugorzędowe, prostopadłe do osi z, łączące przeciwległe krawędzie boczne. Osie x są to tzw. Osie elektryczne. Działając siłą Fx wzdłuż osi elektrycznej x (efekt podłużny) uzyskuje się na ściankach, na które działa siła, ładunek elektryczny o gęstości:

działając siłą wzdłuż osi mechanicznej uzyskuje się również ładunki na ściankach prostopadłych do osi mechanicznej (efekt poprzeczny).

Napięcie powstałe na elektrodach pod wpływem ładunku jonowego Q2 jest odwrotnie proporcjonalne do sumy pojemności kryształu Ck i układu pomiarowego Cm

Miarą dobroci czujnika jest jego czułość piezoelektryczna

7

---