1 instrumenterings- teknikken - Institutt for teknisk kybernetikk - NTNU
1 instrumenterings- teknikken - Institutt for teknisk kybernetikk - NTNU
1 instrumenterings- teknikken - Institutt for teknisk kybernetikk - NTNU
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
1<br />
3<br />
6<br />
...tilbake til...<br />
INSTRUMENTERINGS-<br />
TEKNIKKEN<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Måling av kraft og moment<br />
Øyvind Stavdahl<br />
<strong>Institutt</strong> <strong>for</strong> <strong>teknisk</strong> <strong>kybernetikk</strong>, <strong>NTNU</strong><br />
O. A. Olsen, kapittel 7<br />
Hva er egentlig en kraft,<br />
og hva gjør den?<br />
• Mikronivå: elektrostatiske krefter mellom<br />
elementærpartikler.<br />
• Kan akselerere masse<br />
• Kan de<strong>for</strong>mere gjenstander<br />
• Kan balansere motsatt rettede krefter<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Moment er <strong>for</strong> rotasjonsfenomener det kraft er <strong>for</strong><br />
translasjonsfenomener<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
2<br />
5<br />
7<br />
Husk:<br />
”Alt er lov i krig, kjærlighet<br />
og måleteknikk...”<br />
– Øyvind Stavdahl<br />
Poenget er å produsere et elektrisk signal som står<br />
i et kjent <strong>for</strong>hold til den fysiske størrelsen vi skal<br />
måle<br />
– på en eller annen måte<br />
Måling av kraft og moment<br />
–Oversikt<br />
• Motivasjon<br />
– Hva er kraft og moment?<br />
– Måleproblemets relevans<br />
• Viktige komponenter og teknikker<br />
Eksempler på måleteknikker <strong>for</strong> hhv.<br />
• Kraft<br />
• Moment<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Hvor<strong>for</strong> er kaft- og momentmåling viktig?<br />
Fundamental betydning <strong>for</strong> de fleste vitenskaper og<br />
ingeniørfag<br />
• Mekanikk: statikk og dynamikk (Newtons 2. lov)<br />
– Styrke og belastning<br />
– Motorytelse<br />
• Elektro: enheten Ampere (A) definert via kraft mellom<br />
elektriske ledere<br />
• Medisin, idrettsvitenskap:<br />
– Ganganalyse via ”kraftplater”<br />
– Muskelstyrke<br />
• Osv. osv.<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
1
8<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
10<br />
12<br />
Viktige komponenter og teknikker<br />
Kompensasjonsmåling – elektrisk<br />
• Elementet regulerer posisjon<br />
ved å generere en motkraft<br />
• Ved konstant posisjon er<br />
kraft = motkraft<br />
• Ytre kraft måles via elementets<br />
genererte motkraft, som er<br />
proporsjonal med pådraget<br />
(strømmen I)<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Strekklapper (piezoresistivitet)<br />
• Hooks lov: De<strong>for</strong>masjon er proporsjonal med kraftpåvirkning<br />
• Slike ”lineære” primærelementer de<strong>for</strong>meres av en kraft<br />
• Strekklapper måler de<strong>for</strong>masjonen<br />
(dvs. egentlig en posisjonsmåling!)<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
dR/R = k dL/L<br />
dL/L ~ [S] (Strain)<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
9<br />
11<br />
13<br />
Tre prinsippielle teknikker <strong>for</strong> kraftmåling<br />
Trykkrefter Strekkrefter Bøyningskrefter<br />
(”bend”)<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Piezoelektrisitet<br />
• Ytre kraft skaper en ladnings<strong>for</strong>kyving<br />
• Ladningen ”lader opp” elektrodeplatenes kapasitans<br />
=> spenning<br />
• Trenger <strong>for</strong>sterkere med svært høy inngangsimpedans<br />
• Dynamisk måleelement (kun varierende krefter) – hvor<strong>for</strong>?<br />
Lineær Variabel Differensiell<br />
Trans<strong>for</strong>mator - LVDT<br />
Mange måleprinsipper<br />
<strong>for</strong> kraft/moment<br />
omfatter måling av<br />
<strong>for</strong>flytning<br />
LVDT brukes hyppig til<br />
dette <strong>for</strong>målet.<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
M = konst.<br />
D = <strong>for</strong>flytning<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
2
15<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
17<br />
19<br />
Måleteknikker <strong>for</strong> kraft<br />
Kraftmåling med Strekklapper<br />
Ulike måter å arrangere strekklappene på.<br />
Ulike arrangementer gir ulike måleegenskaper.<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Svingende streng<br />
• Innstøpt i betong etc.<br />
• Resonansfrekvensen avhenger av strekkraften<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
16<br />
18<br />
20<br />
Fjærvekt med<br />
posisjonsmåler<br />
Fjærkraften avhenger av<br />
<strong>for</strong>lengelsen<br />
Ulemper:<br />
• Ikke-ideell fjær<br />
– Ulineær<br />
– Endring over tid<br />
• Måleobjektet beveger<br />
seg under veiingen<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Skjærkraftmålere<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Magnetisme<br />
• Mekanisk påkjenning =><br />
endrede magnetiske egenskaper<br />
(endret B(H)-kurve)<br />
• Dette gir endret induktans i<br />
spolen (se fig.)<br />
NB: følsom <strong>for</strong><br />
• temperatur<br />
• spenning<br />
• frekvens<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
3
21<br />
23<br />
25<br />
Pressduktor<br />
• Oppsett (a):<br />
Magnetiseringsvikling<br />
+ målevikling<br />
• Ubelastet (b): ingen indusert<br />
spenning i måleviklingen pga.<br />
symmetri<br />
• Belastning (c): indusert<br />
spenning i måleviklingen pga.<br />
asymmetri<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Momentmåling med<br />
strekklapper<br />
Fordeler<br />
• Krever bare en liten seksjon av akselen<br />
• Ufølsom <strong>for</strong> temperatur, aksiell kraft og bøyning<br />
Ulemper<br />
• Bevegelig aksel => sleperinger => støyproblem<br />
• (Alternativ: trådløs kommunikasjon, jfr. ”vinkellabben”)<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Magnetisme - Korsduktor<br />
• Kontaktfri<br />
• Følsom fom indre spenninger i<br />
metallet<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
22<br />
24<br />
26<br />
Momentmåling<br />
Prinsipper:<br />
• Strekklapper<br />
• Torsjonsvinkel<br />
• Magnetisme<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Torsjonsvinkel<br />
• Kontaktfri<br />
• Velegnet til effektmåling pga. innebygd hastighetsmåling<br />
Vinkelhastighet · moment = effekt<br />
• Krever en ”lang” aksel <strong>for</strong> å oppnå høy oppløsning<br />
• Skipspropellaksler etc<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Magnetisme - Ringtorduktor<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
• ”Midler ut” korsduktorens svakhet ved å redusere lokale målefeilen<br />
pga. lokale variasjoner i materialegenskaper<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
4
27<br />
29<br />
Praktisk eksempel:<br />
"leddsans" <strong>for</strong> slangerobot<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Løsning: spesiallaget brakett med seks<br />
strekklappbruer<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
28<br />
30<br />
Roboten må kjenne interne krefter og<br />
momenter<br />
Utsiden… …og innsiden:<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Kalibrering<br />
Kjent belastning Målt respons<br />
TTK4125 Datastyring, instrumentering og måleteknikk<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
Ø. Stavdahl, 20.02.2013<br />
5
Change language