Przetwornik- przekształca jedną wielkość fizyczną jak temperatura, siła, ciśnienie, prędkość itd., na inną, najczęściej elektryczną jak napięcie lub opór.
Czujnik- urządzenie, zawierające obudowany przetwornik, przewody odprowadzające sygnał itp.
Czułością czujnika nazywamy nachylenie jego charakterystyki:
s = Dy/ Dx
Zakres pomiarowy to minimalna i maksymalna wartość mierzona:
xmin ÷ xmax
Błędem czułości jest odchylenie nachylenia charakterystyki od wartości teoretycznej
Błąd liniowości to odchylenie rzeczywistej charakterystyki od linii prostej, wyrażany najczęściej w % w stosunku do rozpiętości zakresu pomiarowego:
Dlin=(max|xlin-xpom|)/xmax- xmin
Offset to wartość sygnału gdy wartość mierzona jest równa 0, lub przesunięcie całej charakterystyki w górę lub w dół w stosunku do wartości teoretycznej
Rozdzielczość to najmniejsza zmiana wielkości mierzonej, która może być wykryta w sygnale wyjściowym. Wyrażana jest w proporcji do zakresu lub w jednostkach bezwzględnych
Precyzja to powtarzalność wartości sygnału wyjściowego przy kolejnych powtórzeniach wartości mierzonej. Mierzona parametrami rozkładu sygnału wyjściowego
Histereza to zależność sygnału wyjściowego od kierunku zmian wielkości mierzonej
Czas odpowiedzi- czas, po którym sygnał osiągnie wartość zgodną z charakterystyką (z założoną tolerancją), po skokowej zmianie wartości mierzonej.
Zakres przenoszenia- zakres częstotliwości, w którym stosunek amplitudy sygnału wyjściowego do mierzonego nie spada poniżej założonego poziomu
Dokładność czujnika to maksymalna bezwzględna róŜnica między rzeczywistą wartością mierzoną, a wyznaczoną na podstawie sygnału wyjściowego i charakterystyki:
dokładność = xrzecz - x(y) lub dokładność = [xrzecz - x(y)]/(xmax-xmin)*100%
Przetwornik LVDT:
• Uzwojenia wtórne są umieszczone symetrycznie po obu stronach uzwojenia pierwotnego
• Uzwojenie pierwotne jest pobudzane napięciem sinusoidalnym o amplitudzie 3V ÷ 15V (rms) i częstotliwości 60Hz ÷ 20kHz
• Rdzeń wywołuje zmienne pole magnetyczne generowane przez uzwojenie pierwotne, oddziaływujące na uzwojenia wtórne
Podsumowanie:
• odporne na trudne warunki (zanieczyszczenia) otoczenia,
• duża trwałość, brak tarcia (zużycia i histerezy),
• dotykowe pomiary niewielkich (poniżej ok. 1mm) odległości wymiarów, przemieszczeń,
• pomiary przemieszczeń do ok. 1 m
RVDT- obrotowa wersja LVDT
Rezolwer:
• Zawiera trzy cewki: dwie w statorze, obrócone względem siebie o 90°, zasilane prądem
zmiennym o częstotliwości 2-20kHz i jedną w obracającym się rotorze
• Cewki w statorze zasilane są napięciami przesuniętymi w fazie o 90°: U1=U0sinwt, U2=U0coswt
• Cewki indukują w cewce rotora napięcie: Ur1=kU0sinwtcosQ Ur2=kU0coswt sinQ
• Napięcia się sumują: Ur=kU0sin(wt+Q)
• Porównując fazę między U1 i Ur otrzymuje się kąt obrotu rotora
• zakres ±360
Induktosyn:
• Induktosyn to resolwer rozciągnięty na płaszczyźnie
• Składa się z dwóch liniałów z naniesionymi meandrującymi przwodnikami
• Przemieszczanie elementu ruchomego nad nieruchomym powoduje zmienne napięcie, pozwalające na określenie wzajemnego położenia w ramach jednej podziałki lambda
• Dokładność może sięgać 1mm
Potencjometr:
• Przetwarza zmiany położenia końcówki pomiarowej na zmiany oporu, a pośrednio napięcia
• Dostępne w wersji liniowej lub kątowej
• Suwak lub szczotka zwykle samoczyszcząca
• Element oporowy - zwój drutu (lepsza liniowość) lub przewodzący plastik (lepsza rozdzielczość)
Przetworniki fotoelektryczne (enkodery):
• Układy pomiarowe z modulacją strumienia świetlnego, wykorzystujące zjawiska fotoelektryczne
• Przesłanianie części strumienia świetlnego padającego na element fotoelektryczny powoduje zmianę SEM na wyjściu fotoelementu
• Analogowy sinusoidalny sygnał wyjściowy może być zamieniany na postać cyfrową - impulsy prostokątne, zliczane w liczniku
Dotykowa, piezoelektryczna sonda pomiarowa:
• czujnik piezoelektryczny generuje sygnał pod wpływem obciążenia
• może wykrywać uderzenie końcówki pomiarowej w przedmiot nieomal w momencie zdarzenia
• Podobnie jak przy sondzie tensometrycznej, sygnał uzyskiwany jest znacznie wcześniej, przy mniejszych silach niż w sondzie klasycznej, tj. przy zwartych
Kontaktach
Czujniki indukcyjne bezdotykowe:
• Oscylator wywołuje zmienny prąd w cewce, który tworzy pole elektromagnetyczne.
• Pole indukuje prądy wirowe w przewodniku, o kierunku przeciwnym do płynącego w cewce.
• Prądy te również tworzą pole elektromagnetyczne, przeciwne do pola cewki, co pochłania energię, a co za tym idzie powoduje obniżenie amplitudy zmian prądu.
Zalety:
• Eliminują potrzebę kontaktu - współpracują z ruchomymi powierzchniami (dotyczy wszystkich czujników bezdotykowych)
• Wykrywają metal nawet przez barierę niemetaliczną
• Odporne na trudne warunki środowiskowe
• Mały czas odpowiedzi
• Duża trwałość , praktycznie nieskończona liczba cykli pracy
Wady:
• Wykrywają jedynie metal
• Ograniczenia wymiarowe (omówione)
• Stosunkowo mały zakres - zwykle 30% średnicy cewki, max 50% średnicy
• Pomiary mogą być zakłócone przez wiórki metalowe zbierające się na powierzchni pomiarowej czujnika
Czujniki pojemnościowe:
Czujniki pojemnościowe mierzą odległość między czujnikiem a przedmiotem wykrywając zmiany pojemności szczeliny powietrznej.
• Wykorzystują dwie płytki tworzące kondensator liniowy.
• Ilość energii (wielkość ładunku) jaka może być zmagazynowana zależy od materiału między nimi.
• Czujnik wykrywa obecność innego materiału niż powietrze
• Gdy pojemność przekracza pewien poziom, następuje przełączenie on-off
Zalety:
• Mogą wykryć praktycznie wszystko
• Mogą wykrywać ciecz przez barierę niemetaliczną (szkło, plastik itd.)
• Dokładne w czystym środowisku
• Krótki czas odpowiedzi
• Wykrywają nie tylko obecność (odległość) lecz także rodzaj materiału
• Duża trwałość, praktycznie nieskończona liczba cykli pracy
Wady:
• Zwykle mały zakres pomiarowy (mniej niż 15mm)
• Zakłócają je zanieczyszczenia, zmiany temperatury, wilgotności powietrza czy otoczenia
• Czułość zależy od kształtu i rodzaju materiału
Czujniki ultradźwiękowe:
• Wysyłają fale dźwiękowe powyżej pasma słyszalnego (ultradźwięki, f>20kHz, typowo 40-250kHz ) i odbierają ich odbicie.
• Wykorzystują pomiar zwłoki czasowej i szybkość dźwięku w powietrzu do określenia odległości od obiektu.
• Można również wykorzystać je do sprawdzenia obecności obiektu.
Zalety:
• Wykrywają więcej rodzajów obiektów niż którykolwiek z pozostałych trzech (nieomal wszystko)
• Duży zakres odległości - większy niż dla czujników indukcyjnych i pojemnościowych, do ok. 10 m
• Duża trwałość, praktycznie nieskończona liczba cykli pracy
• Odporne na trudne warunki środowiskowe
• Niska cena
Wady:
• „Martwa strefa” blisko czujnika - nie mogą wykrywać bliskich obiektów
• Nie mogą wykrywać małych obiektów
• Gładkie powierzchnie muszą być umieszczone prostopadle do czujnika, w przeciwnym razie echo nie wróci do niego
• Niezbyt duża dokładność (0.1÷2% zakresu pomiarowego)
• Niezbyt duża prędkość obiektu
Czujniki fotoelektryczne:
• Czujnik fotoelektryczny - czujnik reagujący na zmianę intensywności docierającego do niego strumienia światła.
• Może być wykorzystywane zarówno światło widzialne jak również podczerwone lub laserowe.
• W zależności od tego, na jakim elemencie oparta jest budowa czujnika, inna wielkość elektryczna jest zmieniana:
- jeśli czujnik zbudowano w oparciu o fototranzystor - zmienia się napięcie,
- jeśli fotorezystor - zmienia się oporność,
- jeśli fotodioda - prąd.
Dźwignia mechaniczna
Zalety: Wady:
• Bez przetwornika • Brak wyjścia elektrycznego
• Zapisuje przebieg • Tylko niskie częstotliwości
• Tania • Duże amplitudy
• Podatna na zużycie
• Wrażliwa na orientację
Zastosowanie akcelerometrów:
• Diagnostyka maszyn
• Wyrównoważenie
• Analiza wpływu drgań zewnętrznych
• Wykrywanie nadmiernych drgań maszyn
• Aktywna redukcja drgań
• Badanie charakterystyk dynamicznych maszyn i urządzeń
• Badanie udaru
• Diagnostyka stanu narzędzia i procesu skrawania (DNiPS)
Akcelerometr piezoelektryczny działający na ściskanie:
• Akcelerometr działający na ściskanie - tradycyjna, prosta konstrukcja zapewnia umiarkowanie wysoki stosunek czułości do masy.
• Konstrukcja bardzo stabilna, ale zwykle wpływy środowiska są przy niej większe niż przy innych rozwiązaniach.
• Współcześnie wykorzystuje się je szczególnie do pomiarów silnych uderzeń i w innych celach specjalnych
Akcelerometr piezoelektryczny działający na ścinanie:
• Akcelerometry działające na ścinanie mają tą przewagę nad działającymi na ściskanie, że ze względu na odizolowanie przetwornika piezoelektrycznego od postawy są właściwie niewrażliwe na wpływy zewnętrzne jak zmiany temperatury i naprężenia podstawy.
• Można dzięki nim uzyskać wysoki stosunek czułości do masy co ułatwia budowę akcelerometrów tak miniaturowych jak ogólnego przeznaczenia.
• Mała masa akcelerometru to:
- wysoka częstotliwość własna (rezonansowa)
- minimalizacja oddziaływania masy akcelerometru na charakterystykę badanego obiektu
Akcelerometry bierne:
• Sygnałem jest ładunek
• Musi być podłączony do wzmacniacza ładunku
• Wzmacniacz ładunku całkuje prąd na jego wejściu.
• Zmiana siły (przyspieszenia) działającej na element piezoelektryczny powoduje powstanie ładunku, który jest odbierany przez wzmacniacz.
• Przy stałej sile działającej na element (stałym przyspieszeniu) nie powstaje nowy ładunek, nie ma prądu
Akcelerometry aktywne:
• Budowa podobna do biernych, ale wzmacniacz ładunku jest wbudowany
• Zasilany prądem stałym
• Wbudowany wzmacniacz ładunku zmienia swoją impedancję w zależności od ładunku,
• Czujnik potrzebuje jedynie dwóch przewodów służących jednocześnie do zasilania prądem i wyprowadzenia napięciowego sygnału wyjściowego, który jest odbierany przez różnicowy wzmacniacz zewnętrzny
Bierne
Zalety:
• zmienny zakres sygnału (czułość)
• zakres temperatur zależny jedynie od materiału piezoelektrycznego (do 600°C)
Wady:
• wrażliwe na zakłócenia
• konieczny zewnętrzny wzmacniacz ładunku
Aktywne
Zalety:
• prostsza obsługa sygnału wyjściowego
• mniejsze zakłócenia
Wady:
• ustalony zakres sygnału (czułość)
• ograniczony zakres temperatur (do ok. 250°C)
• ograniczony zakres przyspieszeń (przesterowanie wzmacniacza wewnętrznego)
Próbnik ręczny:
• Próbnik ręczny jest stosowany gdy inne techniki mocowania czujnika są niepraktyczne, a także do szybkiego oszacowania względnych charakterystyk drganiowych badanego obiektu w celu doboru miejsca zamocowania czujnika.
• Nie jest zalecane do ogólnego stosowania ze względu na niepowtarzalność wynikającą ze sposobu trzymania próbnika (kierunek, siła).
• Można stosować tylko do częstotliwości poniżej 1000Hz.
Błędy akcelerometrów:
• Dryft (akcelerometry zasilane prądem stałym) - wolne zmiany
stałym w wyniku zmian temperatury i starzenia się. Ograniczenie przez zasilanie AC, ale...
• Tłumienie składowych niskoczęstotliwościowych - akcelerometry zasilane prądem zmiennym
• Nieliniowości czujnika - mogą wystąpić przy dużych amplitudach.
• Nieliniowości źródła prądu - dla czujników aktywnych ze źródłem prądu o niskiej oporności (baterie)
• Zakłócenia zewnętrzne - silniki, transformatory itp. w pobliżu indukują prądy w kablach. Szczególnie groźne dla czujników biernych
• Zakłócenia przez wspólne uziemienie ze wzmacniaczem
Emisja akustyczna- zanikająca fala sprężysta, będąca efektem gwałtownego wyzwolenia energii nagromadzonej w materiale przez propagujące się mikro uszkodzenia (wzrost mikro szczelin, ruch grup dyslokacji) w materiale.
Źródła emisji akustycznej (AE) w procesie skrawania:
• ścinanie i plastyczna deformacja materiału obrabianego
• pękanie materiału obrabianego i narzędzia
• tarcie pomiędzy materiałem obrabianym, narzędziem i wiórem
• uderzenia i pęknięcia wiórów
Mikrofon węglowy:
• Składa się z cienkiej membrany umieszczonej na zamkniętym pojemniku z proszkiem węglowym, przewodzącym prąd.
• Opór zależy od ściśnięcia proszku.
• Zasilenie prądem stałym na obu krańcach pojemnika
• Zmiany ciśnienia akustycznego oddziaływają na mambranę, powodując ściskanie proszku, zmiany oporu, a co za tym idzie zmiany napięcia
Właściwości:
• Używane w pierwszych telefonach, czasem we współczesnych
• Bardzo zła jakość
• szumy, sklejanie się proszku
• Wąskie pasmo przenoszenia
• Reagują na średnie częstotliwości,
• Źle przenoszą spółgłoski „szeleszczące”)
• Bardzo czułe, tanie, wytrzymałe, odporne
Mikrofon dynamiczny:
• Składa się z cienkiej membrany połączonej bezpośrednio z cewką, umieszczoną w magnesie stałym
• Zmiany ciśnienia akustycznego oddziaływają na membranę, powodując przemieszczanie się cewki w magnesie i powstawanie niewielkich prądów
• Nie potrzebuje zasilania
Właściwości:
• Używany najczęściej w zastosowaniach estradowych
• Ciepłe brzmienie
• Wymaga wysokiego poziomu dźwięku
• Musi być trzymany blisko
• Nie wymaga zasilania ani regulacji
• Niezawodny i odporny
• Łatwy do miniaturyzacji
• Niedrogi (w porównaniu z pojemnościowym czy taśmowym)
• Niezbyt dokładny (nierówne pasmo przenoszenia)
Mikrofon piezoelektryczny
• Składa się z cienkiej membrany połączonej z ciekną płytką piezoelektryczną (kryształem)
• Zmiany ciśnienia akustycznego oddziaływają na membranę, powodując zginanie kryształu powstawanie niewielkich ładunków (dalej jak w akcelerometrach)
• Dość znaczny sygnał wyjściowy, ale słabe pasmo przenoszenia - używanie rzadko
Mikrofon wstęgowy:
• Składa się z cienkiej, powyginanej folii metalowej (wstęgi) umieszczonej w polu magnetycznym
• Zmiany ciśnienia akustycznego oddziaływają na folię, powodując jej ruch i powstawanie niewielkich prądów
Właściwości:
• Bardzo czuły,
• odbiera bardzo słabe dźwięki
• Bardzo delikatny
• wrażliwy na uderzenia,
• wrażliwy na zbyt głośny dźwięk
• Bardzo kosztowny
• Używany rzadko
Mikrofon pojemnościowy
• Jest kondensatorem, którego jedną okładką jest cienka membrana, a drugą płyta tylna
• Zmiany ciśnienia akustycznego wyginają membranę, powodując zmianę odległości między okładkami i zmianę pojemności kondensatora
• W tradycyjnych mikrofonach polaryzacja jest uzyskiwana przez zasilanie z zewnętrznego źródła
Mikrofon elektretowy
• Mikrofon elektretowy to nowsza forma mikrofonu pojemnościowego
• Membrana lub płyta tylna wykonana jest z elektretu
• Ma cechy pojemnościowego, o znacznie większej czułości
• Bardzo tani, łatwy do miniaturyzacji
Właściwości:
• Najlepsza (płaska i szeroka) charakterystyka
• Bardzo czuły,
• Odbiera bardzo słabe dźwięki
• Odporny, wytrzymały
• Kosztowny, choć nie tak jak wstęgowy
• Występuje spory zakres cen i jakości
• Używany profesjonalnych studiach nagraniowych
• Wypiera wstęgowe jako tańszy i wytrzymalszy
• Współcześnie uznawany za standardowy przetwornik akustyczny w badaniach
Piezoelektryczne czujniki sił
• Dobrze przystosowane do pomiarów dynamicznych - zmiennych sił, uderzeń
• Mała bezładność (niski czas odpowiedzi), wysoka sztywność, szeroki zakres pomiarowy, zdolność do pomiaru obciążeń quasi statycznych
Pojemnościowy czujnik ciśnienia:
Zalety:
• czułość
• stabilność, mały dryft temperaturowy (ceramika)
• małe wymiary
Wady:
• nieliniowość (1/d)
• skomplikowane elektronicznie
Indukcyjny czujnik ciśnienia:
• Bardzo stabilny temperaturowo
• Do dużych urządzeń
• Duże membrany do pomiaru małych różnic ciśnienia
Piezoelektryczny, dynamiczny czujnik ciśnienia:
• Służy do dynamicznych zmian ciśnienia
• Muszą zapewniać
- krótki czas odpowiedzi,
- odporność mechaniczną
- wysoką sztywność
- szeroki zakres pomiarowy
Czujnik bimetaliczne
To klasyczna metoda oparta na rozszerzalności cieplnej metali:
• Wciąż używana w prostych termometrach i termostatach
• Ma dużą histerezę
• Stosuje się w MEMS
• Istnieje wiele niechcianych połączeń bimetalicznych, powodujących naprężenia termiczne
Termorezystory RTD
• Opór elektryczny metalu zależy od jego temperatury
• Opór metalu zależy od jego przekroju, długości i oporu właściwego
• Termorezystory wykonuje się z materiałów, których opór właściwy rośnie liniowo w funkcji temperatury (w ograniczonym zakresie temperatur):
Zalety:
• Dokładne, powtarzalne, stabilne
• Szeroki zakres temperatur
• Silny sygnał wyjściowy
• Niewielki koszt okablowania
• Uśrednianie temperatury z pewnego obszaru
• Zunifikowane między dostawcami
• Szeroki asortyment obudów
Wady:
• Drogie (zwłaszcza platynowe)
• Wymagają zasilania
• Mały opór
• Samo-nagrzewanie
• Duży czas odpowiedzi
Stabilność jest zdolnością czujnika do zachowania spójnych wskazań przy tej samej temperaturze (stałość charakterystyki) w dłuższych odstępach czasu.
• Zmiany fizyczne lub chemiczne powodują „płynięcie” (dryft) charakterystyki.
• Materiał rdzenia, korpusu lub podłoża może się rozciągać lub ściskać naprężając drut
• Stabilność RTD jest bardzo dobra: rzędu 0.05°C/pięć lat
Powtarzalność jest zdolnością czujnika do powtarzania wskazań w tych samych warunkach.
• Absolutna dokładność nie jest potrzebna w większości zastosowań
• Zwykle ważniejsza jest stabilność i powtarzalność - błędy powtarzalnych i stabilnych odczytów łatwo skompensować
Termistor:
• półprzewodnik wykonany ze sprasowanych, spieczonych tlenków metali,
• w postaci małego koralika,
• dysku
• lub w innym kształcie,
• pokryty tworzywem lub szkłem.
• Podobnie jak w termorezystorach, ich opór zależy od temperatury.
Zalety:
• Niski koszt (bez obudowy)
• Wysoki opór:
- opór przewodów ma pomijalny wpływ
- wystarczy połączenie dwuprzewodowe
• Wysoka dokładność i stabilność (0.1 °C)
• Wysoka czułość
• Niewielkie wymiary:
- niska masa termiczna
- pomiary punktowe
- niski czas odpowiedzi
Wady:
• Nieliniowość
• Słaba zamienność między producentami
• Niewielkie natężenie prądu zasilającego
• Niewielki zakres ze względu na temperaturę topnienia lutu
Termopara:
W przewodach wykonanych z różnych metali, połączonych końcami umieszczonymi w różnych temperaturach, powstaje prąd proporcjonalny do różnicy temperatur
Zalety:
• nie potrzebują zasilania
• tanie
• wytrzymałe, odporne na drgania i inne zakłócenia mechaniczne
• szeroki zakres temperatur (do 1800 °C!)
• dostępne w różnych formach
• mogą stykać się bezpośrednio z badanym obiektem
• mogą mieć bardzo małe wymiary - niski czas odpowiedzi
Wady:
• niski sygnał wyjściowy
• niezbędny dodatkowy czujnik, mierzący temperaturę zimnych końców
• nie stabilne
• dokładność różna między egzemplarzami
Czujniki promieniowania:
• Pirometry mierzą promieniowanie elektromagnetyczne emitowane naturalnie przez wszystkie obiekty o temperaturze wyższej niż zero absolutne
• Jedynie niewielka część tego promieniowania jest widzialna
• Ze wzrostem temperatury maksimum widma przesuwa się w kierunku krótszych fal, a ogólny poziom rośnie
Efekty piroelektryczny to zjawisko powstawania ładunków elektrycznego na powierzchni kryształów dielektrycznych pod wpływem zmiany ich temperatury
Zalety
• możliwość pomiaru temperatury obiektów ruchomych
• zakres powyżej 1500°C
• nie zanieczyszczają powierzchni obiektu badanego, nie zakłócają pola temperatur
• przewodność cieplna obiektu nie stanowi problemu
• czas odpowiedzi rzędu milisekund (detektor kwantowy)
• mogą być odizolowane od niebezpiecznego środowiska
Wady
• niezbędna bezpośrednia widoczność obiektu, do „obejścia” dzięki światłowodom
• układ optyczny musi być chroniony przed kurzem i kondensacją pary
• pirometry mierzą tylko temperaturę powierzchni