Sensorteknik 2017 Trådtöjningsgivarebme.lth.se/fileadmin/biomedicalengineering/Courses/... ·...

Sensorteknik 2017

Trådtöjningsgivare

Johan Nilsson

http://www.kyowa-ei.com www.hbm.com

Trådtöjningsgivare - Johan Nilsson


www.sensorwiki.org/doku.php/sensors/strain_gauge, techworld.idg.se, museum.mit.edu, en.wikipedia.org/wiki/1933_Long_Beach_earthquake

• Uppfanns 1938 i USA för mätningar under

utveckling av jordbävningssäkra byggnader

(Simmons & Ruge)

• Använda nu i ett stort antal tillämpningar

• Ex.

• Övervakning av maskiner och byggnader

• Givarelement i vågar och last celler

• Givarelement i accelerometrar och

tryckgivare



Syfte med dagens föreläsning

• Förstå grundprincipen för en trådtöjningsgivare

• Hur ansluts den in i en elektronisk krets

• Fördelar med bryggkopplingar

• Lite översikt om tillämpningar för

trådtöjningsgivare



www.hbm.com

• Resistiv givare

• Resistansen ändras då givaren förlängs

eller förkortas – Töjning eller

kompression

• Ex. Vid töjning blir givaren längre och

smalare samtidigt.

! = # $%r – resistivitetL – LängdA - Tvärsnittsarea

& = ' ( )

) = *$$

Hookes lags – Mekanisk spänning (Kraft per ytenhet)E – Elasticitetsmodulene - Töjning



www.hbm.com

Relativ ändring av resistansen:

! = # $%

+ = *!! = *#

# + *$$ + *%%

Samband mellan töjning och relativ ändring av tvärsnittsarea:

*%% = −./*$$

Sammantaget:

*!! = *#

# + 0 + ./ *$$

gg - Poissons tal, 0,5 innebär konstant volym

DDL/L = e av storleksordning 0,1%



www.hbm.com

För metaller i allmänhet i närheten av 2. Konstantan är en vanlig

metall i trådtöjningsgivare och den har en givarfaktor på just 2.

Halvledarmaterial kan ha givarfaktorer på upp mot 100, framför allt

beroende på att resistiviteten ändras med töjningen.

Halvledarmaterialen har sämre linjaritet och större

temperaturberoende.

Givarfaktorn, k:

1 =*!!*$$= +)



Klistras ofta mot mätobjektet (viktigt att välja rätt klister)

Ex. montering

Bengtsson, Elektrisk mätsystem och mätmetoder, Studentlitteratur



Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?)

Riktningskänslighet:




Givarna har en huvudriktning där de är mest känsliga (vilken, varför?)


De tjockare ändarna gör att givaren framför allt ger utslag i

längsriktningen.




Flera givare kan kombineras för att analysera en töjning med okänd

riktning.


www.hbm.com




Hur mäter man bäst en så liten resistansändring?

Utmaning 1:

Givarna har ofta resistanser i området 10 - 500 Ohm. 0,2% relativ

resistansändring ger en resistansändring på 0,02 – 1 Ohm.




Lösning på utmaning 1:

Koppla in givaren i en mät-brygga (Wheatstone-brygga, kvarts-

brygga).

Nolla bryggan genom att sätta R2 = R1, R3 = R4.

Utsignalen blir då (om DDR1 är liten):

23 ≈25!0

∆!0 =25∆!0!0

= 2. )




Hur kan man lösa detta problem?

Utmaning 2:

Olika temperaturkoefficienter för givarmaterialet och mätobjektet

-> Olika töjning eller kompression i de båda materialen

-> Utsignal utan fysisk belastning





Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt

riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga)

R0(1+r1) R0(1+r2)





Montera två givare, gärna så de påverkas av töjning i motsatt

riktning och anslut i en mät-brygga (halvbrygga)

R0(1+r1) R0(1+r2)

Utsignalen blir då (om r1 är liten): 23 ≈25 (+0 − +.)

För en temperaturändring, (r1 = r2):

För töjningen, (r1 = -r2):

23 = 9

23 ≈2. +


Trådtöjningsgivare - Applikationer

Ex. Last-cell för kraftmätning med upp till 4 givare som kopplas i

en brygga.

www.sparkfun.comhttp://www.smdsensors.com



Ex. Övervakning av tåg-räls

engtech.weebly.com/uploads/5/1/0/6/5106995/practical_applications_of_strain_gauges_student_sample.pptx



Ex. Mätning av vridmoment

nybryggt.ignorelist.comgzracing.se



Ex. Givarelement i mikromekanisk trycksensor

http://tid.uio.no/kurs/fys4260/chap9.html

Sensorteknik 2017

Flödesmätning

Johan Nilsson

http://www.kyowa-ei.com www.hbm.com


Flödesmätning

• Laminärt – Turbulent flöde

Re < 2300 2300 < Re

(Circular geom.)

Reynolds number

Re =Inertial forceViscous force

Re =ρ ⋅ u ⋅ dη

r = densityu = average linear velocityd = characteristic length (diameter)h = viscosity

Laminärt Turbulent


Flödesmätning

• Totalflöde – t ex i en rörledning

• Volymflöde (m3/s)

• Massflöde (kg/s) = Volymflöde x Densitet (om

inkompressibelt)

• Lokalflöde

• T ex då man vill veta hur strömningspriofilen

ser ut

• Totalflöde kan erhållas genom att integrera

det lokala flödet över tvärsnittsytan.


Obstruktionsmätare

Ex. Strypfläns

! = #$%&

' − %&%'

&)

&(+' − +&)-

)

Från Bernouille:

A1A2

Cd – Korrektionsfaktor

för aktuell geometri

Trycksensor


Induktiv flödesmätare (Hall-effekt)

Magnetfält vinkelrätt mot flödet, ger upphov till en tvärs-spänning

Ledande fluider


Löptidsmätare

Tiderna för en ultraljudspuls att gå från sändare till mottagare och från

mottagaren tillbaka till sändaren igen mäts.

∆/ ≈ &12& 3 =

&12&%!


Varmtrådsanemometer

Avkylning/uppvärmning ger utsignal i en bryggkoppling

A2

Mäter massflöde (varför)

Sensorteknik 2017 Trådtöjningsgivarebme.lth.se/fileadmin/biomedicalengineering/Courses/... ·...

Documents

Transcript of Sensorteknik 2017 Trådtöjningsgivarebme.lth.se/fileadmin/biomedicalengineering/Courses/... ·...