Zaradi potreb po senzorjih navora se je na tem podroˇcju uveljavilo precej razliˇcnih merilnih tehnologij. Raziskan in predlagan je bil ˇsirok spekter razliˇcnih fizikalnih prin-cipov, s katerimi je mogoˇce aktivno meriti navor. V tem poglavju se bomo omejili zgolj na tiste, ki so doˇziveli uporabo tudi v praktiˇcnih aplikacijah. Raziskave in razvoj novih principov so namreˇc ˇse vedno zelo zanimiva tema, ki je dodatno zaˇzivela s pojavom potreb po senzorjih navora na novih podroˇcjih.
Moˇznost brezˇziˇcnega zaznavanja navora na rotirajoˇci osi je ena izmed kljuˇcnih lastno-sti, ki loˇcuje posamezne principe. Merilni listiˇci so zelo pogosto uporabljeni senzorji za merjenje navora. Njihova dimenzijska deformacija je lahko pretvorjena v spremembo elektriˇcnega signala, ki ga je mogoˇce meriti. Zelo soroden element predstavlja tudi pie-zouporovni senzor, pri katerem spremembo elektriˇcnega signala v veˇcinski meri ustvari piezouporovni uˇcinek. Oba izmed njiju morata biti v neposrednem stiku z merjenim elementom in imeti aktivno napajanje. Prenos signala je iz rotirajoˇce osi mogoˇc zgolj preko uporabe brezˇziˇcnih tehnologij, kot so Wi-Fi, Bluetooth ali radijski valovi. Za napajanje elementa je lahko uporabljena baterija, drseˇci prstani (angl. slip rings) ali pa rotirajoˇci transformatorji. Ta dva principa merjenja sta podrobneje opisana v na-slednjih poglavjih.
Principe, pri katerih je navor pretvorjen v merilni signal v okolici rotirajoˇce osi, lahko klasificiramo kot brezˇziˇcne. V tem primeru ne potrebujemo dodatne tehnologije ozi-roma elementov, ki prenaˇsajo izmerjeni signal na mesto zajema.
Merjenje razlike zasuka
Eden izmed zgodovinsko prvih izpriˇcanih principov merjenja navora je uporabljal fazni zasuk osi, prikazan ˇze na sliki 2.1. ˇCe se meri zasuk na dveh koncih gredi, je preko izmerjene razlike mogoˇce doloˇciti trenutno apliciran navor. V preteklosti so za meritev uporabili zobnika na dveh mestih vzdolˇz gredi. Pri torzijski deformaciji gredi se je relativni zasuk med njima spremenil; tak sistem je prikazan na sliki 2.7. V bliˇzini zob
Teoretiˇcne osnove posameznega zobnika se je nahajala tuljava. Razdalja med tuljavo in zobom posame-znega zobnika se je pri zasuku spremenila in s tem tudi njen izhodni signal. Merilnik faze je omogoˇcal doloˇcitev spremembe signala na obeh mestih merjenja, s pomoˇcjo tega podatka pa je bilo nato mogoˇce izraˇcunati navor na sami gredi. Ti sistemi so bili zelo nenatanˇcni in so potrebovali veliko razdaljo med mestoma merjenja. Ta princip je v sodobnem ˇcasu mogoˇce izvesti tudi preko merilcev zasuka, kot so magnetni, optiˇcni in induktivni rotacijski dajalniki. Glede na loˇcljivost doloˇcanja kota zasuka jih je mogoˇce pritrditi tudi bliˇzje drugega drugemu. Z njuno medsebojno razdaljo je pogojena tudi konˇcna loˇcljivost merilnika navora.
merilec faze
Slika 2.7: Princip merjenja faznega zamika osi za doloˇcitev apliciranega navora [6].
Povrˇsinski akustiˇcni valovi
Povrˇsinske akustiˇcne valove je Lord Rayleigh odkril ˇze v letu 1885 [7]. V prvi inˇzenirski aplikaciji so zaˇziveli leta 1965 [8], ko jih je bilo mogoˇce ustvariti s pomoˇcjo piezoelek-triˇcnih materialov. S pomoˇcjo interdigitalnega pretvornika je bilo mogoˇce te valove ujeti in tudi zaznati, kar je sproˇzilo val razliˇcnih aplikacij [9]. V zadnjem desetletju so povrˇsinski akustiˇcni valovi postali vse pomembnejˇsi princip merjenja momenta. So na-mreˇc pasivni elementi, ki ne potrebujejo aktivnega napajanja. Pri zaznavanju ne potre-bujejo elektriˇcne povezave z gredjo, saj je ves prenos signala izveden brezˇziˇcno. Obenem jih zaznamuje kompaktnost, visoka obˇcutljivost, nizka cena in dobra stabilnost [10]. Za meritev navora preko povrˇsinskih akustiˇcnih valov je treba na gred pritrditi piezoelek-triˇcni substrat, na katerega so v obliki zadrge integrirane kovinske elektrode, ki tvorijo vstopni interdigitalni pretvornik. Ta omogoˇca pretvorbo elektriˇcnega signala v me-hansko valovanje, ki se nato ˇsiri po gredi. Obiˇcajno je pretvornik postavljen med dva odbojnika, ki povzroˇcita, da se valovanje ujame na tem obmoˇcju [10]. Izstopni inter-digitalni pretvornik je nato vzbujen in pretvori mehansko valovanje v elektriˇcni tok, ki ga je mogoˇce izmeriti. Za meritev je mogoˇce uporabiti tudi zgolj en interdigitalni pretvornik, ki ustvari in tudi izmeri povrˇsinsko valovanje. Prikaz opisanih elementov, ki jih lahko enostavno poimenujemo tudi resonator povrˇsinskih akustiˇcnih valov, je prikazan na sliki 2.8.
Teoretiˇcne osnove
odbojnik
vhodni digitalni pretvornik
izhodni digitalni
pretvornik odbojnik
Slika 2.8: Prikaz elementov za ustvarjanje in merjenje povrˇsinskih akustiˇcnih valov [9].
Element ne potrebuje aktivnega napajanja, ker se vzbujanje lahko izvede s kratkim pulzom radijskih valov, poslanih brezˇziˇcno. Tudi signal, dobljen iz izstopnega interdi-gitalnega pretvornika, je mogoˇce poslati iz gredi preko radijskih valov. Meritev navora je v tem primeru izvedena zelo podobno kot pri merilnih listiˇcih. Ob postavitvi dveh resonatorjev povrˇsinskih akustiˇcnih valov pod kotom 45°(slika 2.9) je eden izmed njiju pod kompresijo (a), drugi pa pod nategom (b). Preko te deformacije se v interdigitalnih pretvornikih spreminjajo razdalje med kovinskimi elektrodami, kar vpliva na frekvenco povrˇsinskega akustiˇcnega valovanja. Preko meritve spreminjanja te frekvence, ki jo iz gredi prenesejo radijski valovi, se lahko doloˇci trenutna deformacija in poslediˇcno izraˇcuna tudi aplicirani navorM.
M
M
a
b
Slika 2.9: Prikaz postavitve interdigitalnih pretvornikov na piezoelektriˇcnem substratu [9].
Magnetoelastiˇcni princip
Magnetoelastiˇcnim materialom se magnetne lastnosti spreminjajo glede na deformacijo materiala. V primeru pritrditve materiala na gred je s spremljanjem njihovih lastno-sti mogoˇce doloˇciti trenutno deformacijo in s tem tudi aplicirani navor. Vzbujevalna tuljava, ki izvede prelet razliˇcnih frekvenc sinusno moduliranega magnetnega polja, povzroˇci longitudinalne elastiˇcne valove na magnetoelastiˇcnem materialu, pritrjenem na konstrukcijo. Zaradi lastnosti materiala ti valovi ustvarijo magnetni pretok, ki ga lahko zaznamo z drugo tuljavo. Najmoˇcnejˇsi magnetni pretok bo na drugi tuljavi za-znan, ko je vzbujevalna frekvenca enaka lastni frekvenci materiala. Materialu se lastna frekvenca spreminja v odvisnosti od stanja mehanskih napetosti [11]. Z doloˇcanjem
Teoretiˇcne osnove lastne frekvence materiala s pomoˇcjo zaznavalne tuljave je mogoˇce doloˇciti trenutno deformacijo senzorja [12]. S tem podatkom je mogoˇce izraˇcunati tudi velikost navorne obremenitve. Slika 2.10 prikazuje opisano meritev navora po magnetoelastiˇcnem prin-cipu.
¸
Slika 2.10: Prikaz principa magnetoelastiˇcnega principa merjenja navora [13]
Brezˇziˇcna meritev navora je osrednja prednost tega principa. Spremljanje navora je enostavno izvedljivo tudi na rotirajoˇci gredi. Omogoˇca tudi visoko raven preobreme-nitev in delovanje tudi v zahtevnejˇsih okoljskih razmerah. Kljub temu je za delovanje treba zagotoviti dovolj moˇcno magnetno polje. Okoliˇska elektriˇcna in magnetna polja lahko ustvarijo interferenco, ki poslediˇcno vpliva na meritev. Slabosti merilnega prin-cipa sta torej razmeroma kompleksna elektronika za ustvarjanje in zaznavanje sinusno moduliranega polja ter obˇcutljivost na okoliˇska magnetna polja [10].
Preostali principi merjenja navora
Med principe merjenja navora, ki obstajajo, vendar niso bili podrobneje opisani, lahko uvrstimo tudi:
– kapacitivno merjenje navora [14],
– merjenje navora preko volumetriˇcne deformacije [15], – elektromagnetiˇcno merjenje navora [16],
– merjenje navora preko Hallovega efekta [17], – optiˇcno merjenje navora [18],
– piezoelektriˇcni senzor navora [19].
Veˇcina zgoraj naˇstetih principov je zaenkrat ostala predvsem v domeni raziskav in ˇsirˇse uporabe v aplikacijah ˇse ni doˇzivela. V naslednjih poglavjih sta podrobneje predsta-vljena principa merilnih listiˇcev in piezoupora, ki sta tudi uporabljena in primerjana v praktiˇcnem delu te naloge.
Teoretiˇcne osnove