Kiirendus- ja vibratsioonisensorid (0)

EESTI MAAÜLIKOOL
Tehnikainstituut

Kiirendus- ja vibratsioonisensorid

Õppeaines „Autod- Traktorid II“

TE.0260
Tootmistehnika eriala
TA BAK 3
Üliõpilane: “…..“………………2015.a …………………………
Juhendaja : “…..“………………2015.a. …………………........... Arne Küüt
Tartu 2015

Kiirendus-ja vibratsiooni sensorid

Kui sõitjal on vaja teada kui kiiresti auto punktist A punkti B liigub, vaatab ta lihtsalt spidomeetrit. Samas kiirendus on palju huvitavam ja kasulikum kui hetkekiirus , sest see näitab ka muud lisaks kiirusele. Otseloomulikult on kiirenduse mõõtmine on natuke keerulisem, kui mõõta kiirust, sest see näitab aja jooksul kiiruse muutust. Selle mõõtmiseks kasutataksegi autodes kiirendusmõõturit, mis töötab kiirendusanduriga.
Joonis 1. Kiirendusandurid
Kiirendusandur on laialdaselt kasutatatud inertsiaalsetes navigatsiooni- ja juhtimissüsteemides, meie teemal autodes, samuti lennukites ja ka laevades. Väga levinud kasutamiseks transport on auto turvapatjadel: kui kiirendusmõõtur tuvastab äkilise auto kiiruse muutuse, vahetu kokkupõrge, käivitab see vooluahela , mis avab turvapadjad.
Kui minna natuke lihtsamaks küsimusel kuidas, siis võib öelda, et arvutatakse Newtoni teise seaduse alusel seotud jõud, mass ja kiirendus väga lihtsa võrrandi kaudu F=m*a ehk jõud=mass*kiirendus. Seega mõõdab kiirendusandur kiirendust arvutades kiiruse muudu jooksul, mõõtes jõudu.

Piesoelektrilised muundurid mõjuvadki otse jõu võrrandist

Piesomuundureid saab kasutada dünaamiliste (ajas muutuvate ) jõudude mõõtmiseks (kuni 104N) ja kiirenduste (kuni 1000 g) mõõtmiseks vahemikus 0,5 kuni 100 Hz. Kui kasutatakse täiendavalt ühte või kahte integreerivat elementi, siis võib mõõta liikumisparameetreid: kiirused või аmplituute.
Lihtsamalt öeldes kui kiirendusmõõtur liigub, siis mass pigistab kristall ja tekitab väikse elektrilise pinge.
Joonis 2. Joonisel on kujutatud Piesoelektriline kiirenduandur
Piesoelektriline kiirendusmõõtur: hall kiirendusmõõturi korpus liigub vasakule, mass pigistab sininst piesoelektrilist kristalli (pildil suurendatud ), mis tekitab pinge. Mida suurem on kiirendus, seda suurem jõud, ja seda suurem on vool, mis voolab (joonisel nooled)
Kõige populaarsemad on potentsiomeetrilised andurid , mis jagunevad omakorda kaheks, mehaaniliste kontaktidega ja ilms mehaaniliste kontaktideta potentsiomeetrilised anduri. Esimestel neist on otentsiomeeter takisti konstantse takistuse väärtusega R p , millel libiseb liugur , mis moodustab elektrilise kontakti. Liugur on mehaaniliselt ühendatud uuritava objektiga, mille liikumist tuleb üle kanda.Takistus R liuguri ja takisti ühe otsa vahel moodustab liuguri asend ja takisti ehitus. Potentsiomeetriliste andurite takisti võib olla kas elektrijuht või voolujuhtiv riba. Kui nendes andurites on kasutatud õhukest kalibreeritud voolujuhti koos liuguriga, neid nimetatakse ka reohordmuunduriteks (reohordideks). Kui voolujuht on mähitud karkassile, neid nimetatakse reostaatanduriteks.
Lihtsamalt öeldes liigub mass maha igal kiirendusel ja venib jõuga, mille kaudu saab arvutada täpse kiirenduse.
Joonis 3. Joonisel on kujutatud mehaaniline kiirendusandur
Mehaaniline kiirendusandur: hall kiirendusmõõturi kast liigub küljelt küljele, mass jääb teatkud hetkelmaha ja see näitabki kiirendust.

Teised on mehaaniliste kontaktideta potentsiomeetrilised andurid, mis võivad põhineda erinevatel efektidel. Nende peamiseke eeliseks on kontaktpindade hõõrdumise ja kulumise puudumine. Need on kontaktivabad muundurid.

Mahtuvuslikeks nimetatakse mõõtemuundureid, milles mõõdetav mitte-elektrilise suuruse muutuse muundatakse mahtuvuse muutuseks.
Joonis 4. Joonisel on kujutatud mahtuvuslik kiirendusandur
Mahutvuslik lai mõiste mahtuvuslik kiirendusmõõtur: hall kiirendusmõõturi korupus liigub paremale, punane mass on jäänud kohale ja surub sinised metallplaadid üksteisele lähemale, muutes oma mahtuvut, mida saab omakorda mõõta ja sellest tulnevalt arvutada kiirenduse.
Vibratsiooni sensoriteks kasutatakse kiirendussensoreid. On olemas mitmeid vibratsioonisensoreid, kuid kõige enamlevinumad on Piesoelektriline ja Knock-tüüpi vibratsioonisensorid. Piesoelektriline möödab erinevate laengute liikumist. Kus vibratsioonis andurs olev kristall, mille mass on teada, hoitakse kompresioonis kus ta perioodiliselt pressitakse kokku ja lastakse taas vabaks, täpsemat illustratsiooni on võimalik näha jooniselt 5.
Joonis 5. Joonisel on näidatud , kuidas töötab Piesoelektriline vibratsiooni andur .
Kompressiooni ajal, laeng kristallis tõuseb ja langeb vastavalt perioodilisele rotatsioonile. See tekitab eraldi elektrivoolu, mis mille tuvastab vibratsiooni sensor . Seda tüüpi sensor suudab töötada kuni 250C ilma, et temperatuur mõjutaks tema tööd. Ehk lihtsamalt seletades, vibratsioon paneb massi kiirendama. Massi liikumisel tekitab piesoelektriline kristall elektrivoolu, mis edastakse sensorile mis omakorda tuvastab kui kui kiirelt toimub kiirendus. Kõik see käib lihtsa valemi järgi F=ma [1]
Knock-tüüpi vibratsiooni andur mõõdab silindris plahvatuse jõudu. Tema tööpõhimõte on sama mis eelnevalt kirjeldatud piesoeletrilise vibratsiooni omal. Antud andur paigaltatakse mootoriplokki. Silindris toimunud plahvatuse teel pannakse mass liikuma, mis vibreerides annab märku kiirendusest piesoelektrilisele elemendile. Piesoelektriline element tekitab eleketrivoolu, mis viidakse edasi andurisse. Kui andur tuvastab, et on toimunud vibratsioon, siis ta viivitab uue kontrollitud plahvatuse tekkimist silindris. Knock tüüpi vibratsiooni andur töötab üldjuhul sagedusel 5-25 kHz.
Neid sensoreid kasutatakse eelkõige silindris toimuva plahvatuse kiiruse reguleerimiseks. Mida kontrollitum on plahvatus, seda täpsema ja parema töökvaliteedi saab tagada. Samuti kasutatakse sama põhimõttega sensoreid selleks, et tagada reisijate ohutus. Kui peaks toimuma liiklusavarii, siis esimesena saab märguande toimunud kokkupõrkest kiirendusandur, mis omakorda annab käsu järgmistele anduritele. Avades õhkpadjad jne.