7

Senzori sile

7

SADRZAJ :

Uvod

- Osnovna podela sile

- Vrste kontaktnih sila

- Metode merenja sile

Problem koji se javljaju pri merenju sile

Principi gradnje senzora

Struktura senzora

Princip rada senzora sile

Vrste senzora

Tipovi senzora

7

Uvod

Sila je jedan od najelementarnijih pojmova u fizici. To je vektorska velicina (odredjenaje pravcem, smerom i iznosom) kojom opisujemo medjudelovanje tela i njegove okoline i kojom objašnjavamo uzroke kretanja. SI jedinica za silu je njutn cija je oznaka N (nazvana tako prema Isaacu Newtonu).

Osnovna podela sila:

- kontaktne: rezultat su fizickog kontakta dvaju tela. Informacija o delovanju nekekontaktne sile se sistemom prenosi menjanjem medjumolekulskih razmaka ustrukturi materijala.

Vrste kontaktnih sila:

- aktivne - npr. sila kojom reket udara tenisku lopticu- reaktivne - npr. sila kojom na nas deluje podloga na kojoj stojimo- vanjske - sve kontaktne sile koje na neki sastav deluju izvana- unutrašnje - sile medjudelovanja elemenata unutar nekog sastava- volumenske (masene): vezane su uz postojanje polja sila u nekom prostoru.

One deluju na sve cestice tela, tj. prožimaju ga u njegovom celom volumenu. U ovuvrstu sila spadaju elektromagnetske, gravitacijska i inercijske sile.Elektromagnetske i gravitacijske sile su uvijek aktivne sile, dok su inercijalne silesvojevrsna analogija reakcijskih sila.

Metode merenja sile primenom gravitacionog zakona nazivaju se metode balansa, jer se nepoznata sila direktno ili indirektno poredi sa poznatom gravitacionom silom. Odgovarajuci senzori sile su vage.Deformacija tela delovanjem sile definise se na osnovu Huskovog zakona:

7

,

gde je c krutost tela, a l vector deformacije tela.Ako je poznat koeficijent krutosti,tada je silu moguce odrediti merenjem deformacije.Najveci broj senzora sile radi na ovom principu.

Problemi koji se javljaju pri merenju sile su :

- Tacnost, buduci da se merenje sile u pravilu mora provoditi sa tacnoscu koja je veca nego kod merenja drugih velicina.U tehnickim merenjima zahteva se tacnost od 1-2 % , ali je u automatizovanoj proizvodnji i robotici neophodna tacnost od 0,1-0,2 %.

- Drugi problem nastaje zbog toga sto je sila vektorska velicina, a senzor na izlazu daje skalarnu velicinu.

- Ogranicenost mehanickih naprezanja u realnom materijalu. Uvek se smatra da sila deluje u jednoj tacki, ali kako realni materijali mogu izdrzati samo ogranicena naprezanja,kod merenja sile moraju se definisati odredjeni segmenti povrsine na kojima deluje sila.

- Kad se senzor sile ponasa na jedan nacin kad je sam , a na drugi nacin kada je ugradjen u slozeni merni sistem.

Principi gradnje senzora sile:

Gradnja senzora sile odredjena je fizikalnim principom konverzije sile u izlazni signal, te tehnoloskim i ekonomskim mogucnostima.Da bi se dobile optimalne tehnicke karakteristike treba postovati : princip monolitnosti, princip integriranja,, princip simetrije, princip optimalnih konstruktivnih granica.

- Princip monolitnosti: podrazumeva da se merena sila unutar senzora prenosi samo pomocu jednog elementa. Ukoliko ima vise elemenata, na spojevima se javlja trenje

7

- Princip integriranja: podrazumeva da senzor mora imati osetljivi element sa nekom povrsinom poprecnog preseka kako bi se izbegla pojava velikih mehanickih naprezanja na mestu delovanja sile. Senzor sile je tacniji sto je osetljivi element bolje rasporedjen po povrsini na koju deluje sila.

- Princip simetrije: podrazumeva das u stanja senzora asimetricna kada je u pitanju delovanje merene sile, a simetricna kada su u pitanju sva druga

delovanja.Pozeljno je da karakteristika senzora bude maksimalno nesimetricna na promene merene sile.

- Princip oprimalnih konstruktivnih razmera: za svaku semu konstrukcije postoje gornja I donja granica nominalnih vrednosti sile.Nije pozeljno prelaziti definisani opseg zato sto greske merenja postaju tako vece, a moze doci i do trajnog ostecenja senzora.

Struktura senzora

Jednokomponentni senzori sile smesteni su u hermeticki zatvorenim kucistu, pogodnom za montazu.Rad senzora sile zasniva se na razlicitim fizickim principima,u strukturi svakog senzora mogu se uociti sledeci elementi:

• Ulazni element (oblik prijemne povrsine zavisi od toga da li ulazna sila deluje na sabijanje ili istezanje elemenata)

• Element za prenos sile od ulaznog elementa do kovertora sile u elektricni signal

• Selector koji stiti senzor od poprecnih parazitnih sila, pravi se u obliku jednostruke i dvostruke membrane pricvrscene za kuciste

7

• Osigurac od opterecenja

• Elasticni element (pretvara ulaznu silu u ekvivalentnu deformaciju)

• Konvertor sile u elektricni signal

• Kuciste (stiti senzor od mehanickih i termickih uticaja)

Princip rada senzora sile

Senzor sile služi za pretvaranje sile (opterecenja) u napon, tj. pretvaranje neelektricne velicine u lako merljivu elektricnu velicinu, što je zadatak i svih ostalih senzora. Slika prikazuje zavisnost napona (elekticne velicine) na izlazu o povecanju sile (neelekticne velicine) na ulazu. Senzori sile rade na principu da se otpor silikonskih piezootpornika poveca kada se otpornici savijaju pod bilo kojom primenjenom silom. Senzor usmerava silu kroz celicni klip, direktno na silikonski osetljivi element. Kolicina otpora se menja razmerno s kolicinom sile. Ta promena u otpornom krugu rezultira odgovarajucom razinom mV izlaza.

Senzori sile predstavljaju elektricne osetilne naprave koje se koriste za merenje sila napetosti, kompresije i poprecne sile. Celije napetosti se koriste za merenje pravocrtne sile koja se "rastavlja" duž jedne ose, obicno oznacene kao pozitivna sila. Celije kompresije se koriste za merenje pravocrtne sile koja se "sastavlja" duž jedne ose, obicno oznacene kao negativna sila. Smicanje je uzrokovano napetošcu ili kompresijom duž pomaknutih osa.Proizvode se u mnogo razlicitih paketa i konfiguracija.Važni parametri senzora sile su merni raspon i tacnost. Merni raspon je raspon

7

zahtevanog linearnog izlaza. Vecina senzora sile zapravo meri pomicanje strukturnihelemenata da bi odredili silu. Sila je povezana s deformacijom kao rezultatom kalibracije.

Senzori sile mogu imati jedan od mnogih tipova izlaza. To ukljucuje analogni napon, struju, frekvenciju, sklopku ili alarm, serijski i paralelno instrument ili merac, merni instrument ili indikator, te snimac i totalizator.

Najcešce tehnologije senzora sila su piezoelektronika i merni instrument za merenjenatezanja. Za piezoelektricne naprave, piezoelektricni materijal je kompresovan i generira naboj koji je uslovljen pojacalom naboja. Za merne instrumente za merenje natezanja, promenjivi otpornici osetljivi na natezanje su vezani za delove strukture koji se deformiraju pri merenju. Ovi merni instrumenti za merenje natezanja se obicno koriste kao elementi u krugu Wheatstonovog mosta, koji se koristi za merenje. Takoder oni obicno zahtevaju pobudni napon, i daju izlaznu osetljivost razmernu pobudi.Osobine vezane za senzore sile ukljucuju dvoosno, troosno merenje i temperaturnukompenzaciju (omogucuje smanjenje ili uklanjanje osetilnih grešaka uprkos temperaturnim oscilacijama). Ostali bitni parametri su radna temperatura, maksimalni udar i maksimalna vibracija.

Vrste senzora

Akcelerometarski senzori sile: merenje sile pomocu akceleracije a poznate mase m retko se primenjuje, mada postoji veliki izbor akcelerometara.Razlog je sto sile deluje na neko telo koje nije slobodno i ne moze da se krece, pa nema ni ubrzanja. Senzori akceleracije primenjuju se u tehnici vibracija za merenje dinamickih sila koje deluju na vibrirajuce mase.

Elasticni senzori: imaju mehanicki elasticni element cija je deformacija proporcionalna sili koja na njega deluje.Deformacija elemenata u stacionartnom stanju je :

F=Cx

7

Konstanta krutosti ovde se tretira kao koeficijent proporcionalnost.Najjednostavniji deformacioni element za merenje sile je opruga, a upotrebljavaju se i elementi u obliku rama, prstena, cilindra…

Magnetoelasticni senzori: rade na principu obrnutog magnetostrikcijskog efekta, koji predstavlja promenu stanja magnetisanog materijala pod uticajem mehanickih naprezanja.Materijal koji se koristi za izgradnju ovih senzora je: legure zeleza i nikla,legure zeleza i silicija,kao i specijalni materijali kao sto su legure zeleza i aluminijuma.Po nacinu rada razlikuju se aktivni, parametarski i anizotropski senzori.

Tipovi senzora

• Digitalni merac snage HAG-serije (0 - 10N do 0 - 1000 N):

Meraci snage HAG-serije su digitalni uredaji koji mere vucnu silu na sondu (uredaj ima precizni pretvarac za merenje vucne snage), vrlo su jednostvaniza rukovanje i lagani za prienos. RS 232 sucelje za prenos izmerenih podataka na PC ili prienosnik te istovremeno merenje i kontrolu. Merac snage može biti montiran na pstolje (uz korištenje adaptacijske ploce) kako bi se izvršio niz razlicitih merenja u seriji, pri istraživanju i razvoju.

7

Meraci snage HAG serije se uglavnom koriste u industriji (strojarstvo, medicina, biomedicina, hemija), istraživanju i razvoju, te za razlicite primjene pri obrazovanju. Uredaj je dragocen u razvoju proizvodnje, proveri pakiranja, provjeri za transport itd.

• Prenosni merac snage NR-serije (0 - 10 do 0 - 1000 N):

NR serija digitalnih meraca snage meri napetost ili pritisak primenjen nasondu (uredaj ima precizan pretvarac za merenje sile). Uredajem je vrlojednostavo rukovati, a lagan je za prenos. RS 232 omogucava prenos rezultatamerenja na PC ili laptop bilo samo zbog provere ili zbog kontrole procesa. Otporno metalno kucište daje izuzetnu zaštitu od vanjskih elektromagnetnih zracenja, dok gumirani omot daje zaštitu od trošnje i padova.

Karakteristike: lagan, jednostavan za uporabu, robustno kucište, daje brza i tacna merenja snage, izravno ocitanje vucne snage, odaberivi merni rasponi (N, kN, daN, g, kg, lb, oz), programabilni raspni tolerancije, RS 232 prikljucak i digimatic analogni izlaz, zadržavanje vršnog podatka za vlacnu i tlacnu silu, c memorija, zadržavanje podatka nadisplayu, zaštita od preopterecenja do 150% (pune skale, prikaz do 105%), prikaz preopterecenja.

• Senzor sile FlexiForce A201:

7

FlexiForce A201 senzor sile je ultra tanki, prilagodljivi, tiskani krug. Sastojise od dva sloja filma substrata (polyester/polyamid). Na svakom sloju nalazi se vidljivimaterijal, srebro, uz sloj tinte osetljive na pritisak. Upotrebljava se lepilo da spoji dva sloja substrata i tako stvori senzor sile. Aktivno osjetljivo podrucje definirano je srebrnom krugomna vrhu tinte osetljive na pritisak. A201 senzori su odredeni muškim pinovima. Dva vanjska pina konektora su aktivna, a centralni pin je neaktivan. Na slici prikazan je primer pobudnog kruga za delovanje senzora sile.

Koriscena literatura

- http://images.google.com/images? hl=sr&q=Akceleratorski+senzori+sile&btnG

- http://www.otpornik.com/elektronika.php?id=64

-

http://www.informatika.tf.bor.ac.rs/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=52

- Knjiga senzori i aktuatori

- Licne beleske

7