Američané Simons a Ruge vynalezli
kovové senzory v roce 1937.
Už o dva roky později je zavedli
do sériové výroby ve Spojených
státech i v Kanadě. Tyto senzory se
v současné době nejčastěji používají
ve vážicí technice a při nejnáročnějších
fyzikálních měřeních, kde
jejich vysoká dlouhodobá přesnost
je jinými principy elektromechanické
transformace nezastupitelná.
Jejich jedinečné využití je také
v měření povrchových deformací
složitě namáhaných mechanických
konstrukcí na stovkách až tisících
míst, např. na trupu a křídlech
letadel. Další využití kovových
tenzometrů je v přesných senzorech
mechanických veličin, jejichž
měřicí člen je deformován působící
měřenou veličinou, např. silou, tlakem,
krouticím momentem. V těchto
případech je nahraditelný senzory
s jinou mechanicko- elektrickou
transformací, často však s nižší
přesností.
Technické parametry
kovového tenzometru
a jeho metrologické
charakteristiky
Měřicí mřížky kovových tenzometrů
se vyrábějí z konstantanového drátku
o průměru cca 10-2 mm nebo z leptané
konstantanové fólie o tloušťce cca
5.10-3 mm. Odpor mřížky je nejčastěji
v rozsahu 120 až 600 ohmů. Pro speciální
účely byly vyrobeny tenzometry
o odporu mřížky až 5000 ohmů. Teplotní
součinitel elektrického odporu
konstantanu 5.10-5/oC je minimální.
V senzorech jsou nejčastěji využívány
fóliové tenzometry. Jejich metrologické
charakteristiky i technologie jejich
spojení s měrným členem umožňují
dosažení vyšší přesnosti měření.
Kovové tenzometry jsou vyráběny
s naprosto stejnými metrologickými
charakteristikami.
Součinitel deformační citlivosti
kovového tenzometru k = 2,1
(k = ?R/R /?l/l) je o dva řády nižší,
než tomu je u křemíkových tenzometrů.
Hodnota jmenovitého měřicího signálu
Un se pohybuje od 10 do 50 mV. Současná
elektronika neomezuje přesnost
senzorů u nejnižších měřicích
signálů. Tenzometry jsou v senzorech
použity v můstkovém zapojení
doplněném kompenzačními prvky,
napájeném ze zdroje konstantního
stejnosměrného nebo střídavého
proudu o napětí 6 až 30 V. Vstupní
odpor můstku se pohybuje v rozmezí
120 až 4400 ohmů.
Vedle tenzometrů pro měření povrchové
deformace v tahu a v tlaku se
vyrábějí tenzometry s mřížkami pro
měření povrchových deformací pod
úhlem 45o při zatížení hřídelů krouticím
momentem a tzv. rozety pro
měření hlavní povrchové deformace
v neznámé rovině povrchových
deformací.
Dosahovanou přesnost můžeme
charakterizovat sloučenou chybou,
která u nejpřesnějších senzorů je
? 0,01 % Un. U běžně dodávaných
senzorů je sloučená chyba zpravidla
0,05 % Un až 0,5 % Un. Reprodukovatelnost,
tedy maximální rozdíl
mezi hodnotami měřicího signálu
při opakovaném zatěžování za stejných
okolních podmínek, se pohybuje
od zanedbatelně malých hodnot
do 0,1 % Un. Změna výstupního
signálu při konstantním zatížení
a konstantních okolních podmínkách
nazývaná tečení je u kvalitních
snímačů potlačena až na zaručované
hodnoty 0,02 % Un/30 min. Tmely
spojující tenzometry s měrným členem
senzoru patří k tuhým kapalinám
a pro jejich charakteristiku je
nejvýznamnější tečení. Jejich funkce
vyžaduje, aby povrchová deformace
zkoumaného objektu byla po
celé funkční délce tenzometru přenášena
na mřížku tenzometru při
existenci dostatečného odporu mezi
vývody tenzometru a zatěžovaným
objektem.
Únavová životnost tenzometrů
je podle většiny podkladů uváděna
přibližně 106 cyklů dynamického
namáhání do 100 % Un.
V řadě aplikací tenzometrů jsou
pro přesnost měření důležitými
parametry bezpečný teplotní rozsah,
v němž může být senzor používán,
aniž by došlo k nevratným změnám
jeho parametrů a teplotní rozsah
kompenzovaný, v jehož rozmezí
metrologické parametry senzoru
zůstávají v daných mezích. Bezpečný
teplotní rozsah se pohybuje
v rozmezí -55 až +80 ?C a kompenzovaný
teplotní rozsah v rozmezí
-20 až +60 ?C. Při dodržování
kompenzovaného teplotního rozsahu
zůstává zachován velký odstup
měřicího signálu a teplotního šumu
ve výši Uš = 10-8 V. U speciálních
provedení senzorů mohou být mezní
data přípustných teplot rozšířena.
Významné je využívání kovových
tenzometrů k měření rozložení
plošných povrchových deformací
trupu a křídel letadel často několika
tisíci tenzometry. Na jednotlivých
místech jsou uskutečňována tato
měření v půlmůstkovém zapojení
s jedním referenčním tenzometrem,
např. pro 50 měřicích tenzometrů.
První rozsáhlý experiment tohoto
typu byl proveden 1966 při vývoji
letadla Concorde. Za letu byly
měřeny údaje z více než 1000 tenzometrů,
které byly telemetricky
přeneseny k Zemi a tam číslicově
zpracovány.
Metrologické charakteristiky
senzorů jsou definovány chybami
vztaženými k jejich jmenovitým
hodnotám:
?L - chyba linearity je největší
odchylka měřicího signálu od ideálně
uvažovaného lineárního průběhu
měřicího signálu.
?H - chyba hystereze je největší
rozdíl mezi průběhem měřicího
signálu od jeho nulové hodnoty při
zvyšování zatížení až do jeho jmenovité
hodnoty a průběhem měřicího
signálu při klesajícím zatížení
z jeho jmenovité hodnoty k nule.
?R - chyba reprodukovatelnosti
je největší rozdíl mezi hodnotami
měřicího signálu při opakovaném
zatěžování za stejných podmínek.
?T - chyba tečení je rozdíl jmenovitého
měřicího signálu měřeného
v okamžiku konstantního
zatížení senzoru a po dohodnutém
čase (např. 30 min) trvání tohoto
zatížení při nezměněných okolních
podmínkách.
?TO – chyba nulové hodnoty
měřicího signálu nezatíženého senzoru
vlivem teploty je její největší
odchylka v určeném intervalu teplot.
?
TJ - chyba jmenovité hodnoty
měřicího signálu vlivem teploty je
její největší odchylka v určeném
intervalu teplot.
?S - chyba sloučená zahrnuje chyby
linearity, hystereze a reprodukovatelnosti.
Pro uživatele senzorů je důležitý
přístup k testovacím zařízením umožňujícím
kontrolu jejich deklarovaných
metrologických parametrů.
Konstrukční řešení
senzorů a jejich
metrologické vlastnosti
Uveďme jako příklad vliv
hlavních částí přesných snímačů
zatížení (pro vážení) na jejich
metrologické charakteristiky. Bez
ohledu na konstrukční řešení je
tento vliv podobný.
Tvar deformačního členu je
rozhodující pro docílení lineárního
převodu síly (zatížení břemenem)
na povrchovou deformaci
měrného členu v místě nalepených
tenzometrů a ovlivňuje jejich
dopružování.
Spojení deformačního členu
s pláštěm senzoru eliminuje především
vliv parazitních radiálních
a excentrických sil na měřicí signál.
M
ateriál měrného členu má
vykazovat minimální hysterezi,
minimální dopružování a stálost
i izotropii modulu pružnosti v tahu
lineárně závislého na teplotě.
Kovové tenzometry mají s časem
a s opakovanými zatěžovacími cykly
a změnami teplot vykazovat konstantní
metrologické vlastnosti.
Funkce tmelu je ideální, přenášíli
po celé funkční délce tenzometru
trvale a věrně povrchovou deformaci
měrného členu a vytváří-li dostatečný
izolační odpor mezi vývody
tenzometru a matriálem měrného
členu. Charakteristickým znakem
tmelu je tečení.
Plášť senzoru hermeticky uzavírá
prostor kolem měrného členu vyplněný
zpravidla inertním suchým
plynem a výrazně zpomaluje degradační
procesy, které mohou ohrozit
funkční vlastnosti a životnost měřicího
obvodu senzoru. Plášť senzoru
přispívá k eliminaci případných
excentrických zatížení. Umožňuje
použití senzoru v korozivním nebo
výbušném prostředí.
Kompenzační pasivní prvky
podstatně snižují nelineární závislosti
mezi působícím zatížením
a měřicím signálem a vliv teploty
na odchylku měřicího a nulového
signálu.
Integrovaná elektronika senzorů
zlepšuje jejich metrologické charakteristiy
a umožňuje ovládat podle
velikosti měřených signálů různé
funkce řízeného objektu či procesu,
např. programové spouštění různých
řídicích či regulačních obvodů,
výstražných signálů atd. Senzory
s integrovanou elektronikou jsou
nazývány inteligentní senzory.
Vedle senzorů klasického provedení
pro výzkum a vývoj se rychle
zvyšují počty inteligentních senzorů
s integrovanou digitální elektronikou,
významně zhodnocovaných
softwarem, např. pro automatizovanou
produkci složitých
strojírenských součástí, pro automatickou
navigaci dopravních
prostředků atd.
U současných přesných senzorů
pro vážení se sloučenou chybou
menší než 0,03 % Un je třeba brát
v úvahu efekty druhého a třetího
řádu, zjišťované analytickými experimentálními
studiemi. Dosažené
výsledky ve výzkumu nejpřesnějších
senzorů zatížení jsou často
na hranici poznání a nezřídka jsou
potvrzovány jen empiricky. Proto
jsou tyto senzory úspěšně vyvíjeny
a zdokonalovány u firem, které se
touto problematikou zabývají dlouhodobě.
Vynikající přesnou aplikací senzorů
s kovovými tenzometry představují
šestikomponentní váhy měřící
v aerodynamickém tunelu v toku
proudícího vzduchu síly a momenty
působící na modely či reálné
automobily nebo letadla. V těchto
vahách jsou využity nejpřesnější
senzory s rozlišitelností až 10-6 největších
zatížení silou nebo momentem.
U mechanických konstrukcí méně
přesných senzorů, např. se sloučenou
chybou větší než 0,1% Un, jsou
běžně využívány postupy vycházející
ze všeobecně známé teorie
pružnosti. Měření povrchových
deformací u jednoduchých strojírenských
výrobků se uskutečňuje
v souladu s vyžadovanou přesností
měření konstruktéry strojírenských
výrobků charakterizovanou sloučenou
chybou 1 až 3 %.
Jsou tři základní typy měrných
členů podle druhu napjatosti, vyvolané
pod tenzometry měřenou silou.
Jde o měrné členy s napjatostí:
- Tahovou, resp. tlakovou
(sloupky, trubky),
- ohybovou (nosníky, rámy,
prstence),
- smykovou (nosníky, desky).
Pro zesilování a případné zpracování
měřicích signálů senzorů se
používají zesilovače stejnosměrné
nebo s nosným proudem vybavené
filtry pro potlačení šumu umožňující
měřit signály řádu 10-6 V. Při
měření na více místech je rychlé
přepínání měřicích signálů řízeno
např. mikroprocesory.
Senzorika je perspektivní obor
s trvale se rozšiřujícím objemem
výroby s vysokou přidanou hodnotou,
do kterého jsou investovány
značné prostředky. Je značnou
nevýhodou, že tento obor je
v posledních desetiletích v České
republice rozvíjen nedostatečně.
Ing. Jiří Černohorský, DrSc.