Snímač a jeho princip – stručný popis
(fotografie snímačů dodávaných firmou Omega)
Samotnou
konstrukci snímače síly (transducer, loadcell) s tenzometrickým můstkem
si lze rozdělit na tři základní části:
Jednotlivé části budou popsány podrobněji.
Těleso snímače.
Jeho funkcí je převádět mechanické namáhání – měřenou sílu – na přesně definovanou deformaci materiálu tělesa snímače. Toto musí probíhat za splnění podmínky pevnosti materiálu, jinak dojde k trvalé deformaci a prakticky zničení snímače. U každého materiálu existuje tzv. mez pevnosti, při jejímž překročení dochází k nevratné deformaci materiálu. Při konstrukci snímače se obvykle jako maximální předpokládané namáhání materiálu uvažuje nejvýše polovina mezní hodnoty, což odpovídá hodnotě „safe factor 2“, tj. mezní pevnost je dvojnásobná oproti maximálně uvažovanému zatížení. Nejběžnější používané materiály pro konstrukci snímačů jsou hliník a nerezová ocel. Jako příklad uvádím hodnoty mezní pevnosti plochých tyčových profilů dvou hliníkových slitin:
ČSN 424401.71 – 210
MPa
ČSN 424201.71 – 380 MPa
Další klíčový parametr použitého materiálu snímače je tzv. modul elasticity. Ten definuje míru protažení materiálu (strain) vzhledem k působící síle (stress). Různé materiály s různou hodnotou modulu elasticity vykazují každý jinou hodnotu protažení při stejném namáhání, a právě protažení materiálu je u snímače měřeno. U hodnoty modulu elasticity prakticky nezáleží, nebo jen zcela minimálně, na tepelném zpracování, na rozdíl od výsledné pevnosti. Takže např. pro hliník a slitiny se obecně udává hodnota 69 GPa.
U snímače je důležité, aby síla a výsledné protažení bylo ve stejném poměru v celém rozsahu měření síly, tj. aby snímač byl lineární. Toho se dosahuje různými tvary tělesa snímače a zeslabení. Tovární snímače mají zpravidla hodnotu nelinearity pod 0,1%.
Tenzometry.
Tenzometr (strain gage) slouží k měření protažení materiálu na nějž je připevněn, což bývá realizováno nejčastěji přilepením. Jeho princip je velice jednoduchý, ovšem v praxi se objevuje mnoho dalších nepříznivých faktorů, jejichž zvládnutí dělá z tenzometrů velice precizní záležitost.
Samotný princip spočívá ve známém faktu, že odpor elektrického vodiče je přímo úměrný jeho délce a nepřímo průřezu. Tenzometr je realizován jako vodič na tenkém (obvykle polyamidovém) filmu s nímž je pevně spojen. Vodič je vytvořen leptáním tenké kovové (nejčastěji konstantanové) fólie, a pro dosažení co největší efektivní délky je meandrovitě poskládán. Při protažení materiálu na němž je tenzometr přilepen dochází i k protažení vodiče tenzometru, jenž tím zvětší svoji délku a zmenší průřez čímž ve výsledku zvětší svůj odpor. Opačně se jeho odpor snižuje při kompresi. Při výběru hodnoty odporů tenzometrů je vhodnější volit spíše vyšší hodnotu. Tenzometry se méně zahřívají a v případě bateriově napájeného zařízení je i menší spotřeba. Záleží ale také na použitém napájecím napětí můstku a požadované šumové imunitě zařízení.
Základní provedení tenzometru dovoluje měřit protažení v jedné ose, podélné s vodičem. Vyskytují se však i jiné provedení, většinou kombinující dva nebo více tenzometrů v různých osách, nebo např. speciální tvary pro měření na membránách.
Důležitým parametrem je také citlivost (gage factor, GF), která je definována jako bezrozměrné číslo vyjadřující poměr mezi relativní změnou odporu tenzometru (dR/R) a velikosti působícího protažení.
Kromě žádaného protažení materiálu způsobeném měřenou silou se projevuje ještě tepelná roztažnost materiálu, způsobující rušivé protažení tenzometru bez vlivu vnější síly. Vhodnou úpravou materiálu vodiče tenzometru se dosahuje toho, že změna odporu protažením způsobená tepelnou roztažností měřeného materiálu je účinně kompenzována. Toto ovšem vyžaduje použití tenzometru pouze pro materiál, pro jaký byl zkonstruován a je na něj teplotně kompenzován. Hodnota teplotní kompenzace se udává v obecné jednotce ppm (parts per million) a vyjadřuje poměrnou změnu délky materiálu na jeden teplotní stupeň.
Výsledná hodnota měřeného protažení je vždy střední hodnotou v délce aktivní části tenzometru. Toho se využívá zvláště při měření na nehomogenních materiálech, např. beton, kde se používají tenzometry o délce až 150 mm.
Maximální přípustné
napájecí napětí
tenzometru se udává na celý můstek, takže na tenzometr připadá
polovina tohoto napětí. Mezní hodnota napětí se snižuje s rozměrem
(aktivní plochou) a udává v podstatě maximální dovolenou výkonovou
ztrátu.
Základní parametry tenzometru tedy jsou:
- jmenovitý odpor (standardně bývá 120, 350, 700 nebo 1000 ohmů)
- citlivost (gage factor, GF, bezrozměrné číslo nejčastěji hodnoty 2)
- koeficient teplotní kompenzace (23 ppm pro hliník, 11 ppm ocel atd.)
- délka aktivní části
- maximální napětí můstku
Wheatstonův můstek
Změna odporu tenzometru je velice malá, při jmenovité hodnotě 120 ohmů a plném zatížení snímače, který vytváří protažení 1000 microstrain, je změna odporu tenzometru s GF = 2 pouhých 0,24 ohmu pro plné zatížení snímače. U snímače 2 kN potom každému 1 N odpovídá změna odporu o 120 mikroohmů. Taková nepatrná změna odporu je vzhledem k jeho jmenovité hodnotě velmi obtížně měřitelná (poměr 1:1000 000). Proto se tenzometry zapojují do tzv. wheatstonova můstku. Pomocí něho se dá, zjednodušeně řečeno, měřit pouze změna odporu jako velikost jeho výstupního napětí. Můstek se skládá ze dvou napěťových děličů (R1-R4 a R2-R3), přičemž výstupní napětí Vo je tvořeno rozdílem výstupních napětí jednotlivých děličů (větví můstku), nezávisle na jejich absolutní hodnotě. Souhlasná změna napětí v obou větvích můstku se na výstupním napětí můstku neprojeví. Pouze nesouhlasná velikost napětí v jednotlivých větvích dá na výstupu můstku napětí o velikosti jejich rozdílu. Pokud bude napětí v obou větvích stejné (podmínka R2 * R4 = R1 * R3), tak můstek bude tzv. vyvážený a na jeho výstupu bude nulové napětí. Změna kteréhokoliv odporu nyní způsobí rozvážení můstku a napětí na výstupu úměrné této změně.
Tato vlastnost zároveň umožňuje při použití více než jednoho tenzometru násobit jejich citlivost podle jejich počtu. Při použití dvou aktivních tenzometrů bude výstupní napětí dvojnásobné oproti jednomu a stejně i při použití čtyř bude výstupní napětí čtyřnásobné. Záleží ale na konstrukci snímače a umístění tenzometrů. V případě použití čtyř tenzomerů musí být dva namáhány v tahu (R1 a R3) a zbylé dva tlakem (R2 a R4). Pokud chceme použít pouze dva aktivní tenzometry, můžou být oba namáhány tahem (R1 a R3), případně tlakem (R2 a R4), nebo jeden tahem (R3/R1) a druhý tlakem (R2/R4). Poslední varianta se dvěma tenzometry namáhanými opačnými silami a také při použití čtyř aktivních tenzometrů má ještě výhodu v dodatečné teplotní kompenzaci, kdy souhlasná změna odporu způsobená teplotou se neprojeví na výstupním napětí můstku.
Při použití méně než čtyř tenzometrů vyvstává problém, čím doplnit zbývající odpory v můstku. Na první pohled logické doplnění rezistory se v praxi ukáže jako naprosto nepoužitelné z prostého důvodu – teplotní závislost. Zahřívání rezistorů průchodem proudu a změnami teploty okolí dochází i ke změnám odporu rezistorů. Jsou možné dvě řešení. První je použít speciální rezistory s minimálním teplotním koeficientem, které se ale velmi špatně shánějí a cenou se vyrovnají tenzometrům. Druhou možností je použít stejné tenzometry jako pro měření, ale umístit je tak, aby na ně nepůsobila měřená síla a fungovaly pouze jako doplňující rezistory a díky identickému teplotnímu koeficientu s aktivními tenzometry kompenzovaly celý můstek. Toto se zdá jako ideální řešení, ovšem problém je v tom, že se pořád jedná o tenzometry reagující na sebemenší namáhání a v tomto případě způsobující nelinearitu snímače. Tomu se lze ve většině případů vyhnout nalepením tenzometrů do nejméně namáhaného místa snímače a kolmo na směr působící síly.
Ideální můstek by měl dávat v klidovém stavu nulové napětí, čehož ovšem vzhledem k tolerancím hodnot tenzometrů nelze v žádném případě dosáhnout bez dodatečného vyvážení. To se provádí na již hotovém snímači osazeném tenzometry a jednou z možností je přidání rezistorů paralelně k R3 a R4, ať už se jedná o tenzometry, nebo doplňující rezistory.
Tolik velice obecně, pro podrobnější informace doporučuji prostudovat následující dokumenty:
http://www.me.psu.edu/me82/Learning/Strain/strain.html - Stress, Strain, and Strain Gages
http://www.ae.gatech.edu/~jcraig/ae3145/Lab2/bridge-measure.pdf - Resistance Strain Gage Circuits
http://www.ae.gatech.edu/~jcraig/ae3145/Lab2/strain-gages.pdf - Electrical Resistance Strain Gage Circuits
http://www.erde.se/lcguide.pdf - Tedea-Huntleigh Loadcell Guide
http://www.seas.upenn.edu/~meam247/fall/straingage/gage_manual.pdf - Strain gage installations
http://www.vishay.com/brands/measurements_group/guide/index.htm - Obsáhlá on-line publikace firmy Vishay
Firmy dodávající hotové snímače, tenzometry a příslušenství
http://www.hbm.cz/ - HBM-Hottinger Baldwin Messtechnik
http://www.omegaeng.cz/ - Omega Engineering
http://www.rswww.com/ - RS Components