Mechanische Sensoren

Uit Technotheek
Ga naar: navigatie, zoeken
Mechanische Sensoren
Gyroscoop.jpg
Eigenschappen
Categorie: Componenten
Originele auteur: Jeroen Terpstra en Martin Binnema
Jaar: 2009
Wikipedia link: Sensor

Inhoud

Inleiding

Mechanische sensoren kom je overal tegen en is een breed begrip waaronder krachtsensoren, snelheidsensoren, druksensoren, tastsensoren, versnellingssensoren en gyroscopen vallen. Door de hele geschiedenis worden er al mechanische sensoren gebruikt. Zo is een simpele weegschaal al een mechanische sensor. Door nieuwe materialen en technieken die door de technologische revolutie ontdekt zijn, zijn er de laatste honderd jaar vele mechanische sensoren bijgekomen.

Krachtsensoren

Uitrekkingsensor

Uitrekkingsensor
  • Beschrijving: De meest voorkomende krachtsensor is de uitrekkingsensor. Hierbij zorgt een kracht voor verandering van de weerstand. Deze weerstand wordt gemeten waaruit de uitrekking afgeleid kan worden. Om in verschillende richtingen te meten kunnen uitrekkingsensoren een verschillend patroon hebben.
  • Toepassingen: Uitrekkingsensoren worden vaak gebruikt voor het meten van de uitrekking veroorzaakt door buigen, torsie en schuifspanning. Dit wordt onder andere in constructies zoals motorassen, bruggen en grote weegapparaten toegepast.
  • Voor- en nadelen:
    • Goedkoop en eenvoudig
    • Veel variaties verkrijgbaar
    • Temperatuursveranderingen zorgen voor onnauwkeurigheden
    • Uitrekkingen kunnen er voor zorgen dat de sensor niet goed meer terug veert


Snelheidsensoren

Er zijn verschillende manieren om een snelheid van een voorwerp of voertuig te meten. In tegenstelling tot versnellingsensoren kan er geen waarde gemeten worden met behulp van een kracht op een massa wanneer de snelheid constant is.

Pitot buis

  • Beschrijving: Lucht of water zorgt door de voorwaartse beweging voor een drukverschil. Dit drukverschil kan gemeten worden waaruit de snelheid afgeleid kan worden.
  • Toepassingen: Voornamelijk in vliegtuigen en meetapparatuur.
  • Voor- en nadelen: Meet de snelheid ten opzichte van het medium waarin het beweegt. Voor een vliegtuig geldt dus dat de snelheid betrekking heeft tot de lucht die ook verplaatst en niet tot de grond. Dit is voor een vliegtuig juist van belang maar voor andere toepassingen wellicht niet geschikt.

As

  • Beschrijving: Een snelheid kan ook gemeten worden door rotaties van een as te meten die een object aandrijft.
  • Toepassingen: Auto’s en andere voertuigen die zonder speling voortbewegen.
  • Voor- en nadelen:
    • Simpel en goedkoop te fabriceren.
    • Onaccuraat door invloeden zoals wielgrote, bandenspanning en slijtage aan de wielen.

Versnellingsmeter

  • Beschrijving: Versnellingsmeters worden ook vaak gebruikt om een snelheid te bepalen omdat een versnelling resulteert in een bepaalde snelheid. Als er geen versnelling is kun je concluderen dat de snelheid constant is.
  • Toepassingen: Controllers, etc.
  • Nadelen: Meet over het algemeen relatieve snelheden omdat een constante snelheid op deze manier niet te meten is.

Doppler effect

  • Beschrijving: Het dopplereffect is de verandering van frequentie tussen de zender en de ontvanger van geluid, licht of andere golfverschijnselen door een snelheidsverschil tussen de zender en de ontvanger. Uit deze verandering kan de snelheid gemeten worden.

Het Doppler effect zorgt er ook voor dat tonen van bewegende objecten lijken te veranderen.

  • Toepassingen: Bijvoorbeeld snelheidsmeters toepast door politie en radar.
  • Voordelen: Accuraat omdat licht een constante snelheid heeft.


Druksensoren

Er zijn druksensoren die alleen bedoeld zijn om de druk te meten, maar er zijn ook andere grootheden die in sommige situaties uit druk bepaald kunnen worden. Zo zijn er drukmeters om temperatuur te meten (omdat lucht uitzet als het warmer wordt).

Diafragma

Diafragma
  • Beschrijving: Een diafragma is een metalen plaat die kan veren als gevolg van druk. Deze

beweging kan gemeten worden waaruit te druk bepaald kan worden.

  • Toepassingen: Bijvoorbeeld barometers.
  • Voor- en nadelen: Simpel te fabriceren en toe te passen.

Membraan

  • Beschrijving: Werking eigenlijk het zelfde als een diafragma alleen wordt er van een membraan gebruik gemaakt. Er dient wel op de dikte van het membraan gelet te worden omdat dit de beweging beïnvloed.
  • Toepassingen: Vliegtuigen en andere objecten die met drukveranderingen te maken krijgen. Hoogte ten opzichte van de aarde kan hier ook uit bepaald worden.
  • Voordelen: Licht van gewicht en goedkoop te fabriceren.


Tastsensoren

Iets is een krachtsensor wanneer een kracht kan opmerken. Dit betekent dat weegapparatuur en schakelaars (dus ook microschakelaars en membraanschakelaars) hier ook onder vallen.

Schakelaars

  • Beschrijving: Een schakelaar verbindt of verbreekt een stroomkring. Ze zijn er in vele uitvoeringen beschikbaar.
  • Toepassingen: Voor allerlei toepassingen te gebruiken bijvoorbeeld om een lamp aan en uit te doen.
  • Voor- en nadelen: Verschillen per type schakelaar.

Microschakelaar

Microschakelaars
  • Beschrijving: Microschakelaars zijn elektrische schakelaars die heel weinig kracht nodig hebben om m.b.v. een kantel mechanisme te schakelen en zijn uitgevonden in 1932 door

Peter McGall in Freeport, Illinois. Er zijn veel soorten microschakelaars verkrijgbaar.

  • Toepassingen: Breed bijvoorbeeld: computer muis knoppen, kleppen van sproei installaties, auto’s, anti onschadelijk maken van bommen door de IRA, etc.
  • Voordelen: Goedkoop, extreem duurzaam en veel varianten beschikbaar.

Membraanschakelaars

  • Beschrijving: Bij membraanschakelaars wordt een membraan, beschilderd met verf wat koper, zilver of grafiet bevat, tegen een contact gedrukt waardoor een stroomkring ontstaat. Deze schakelaars hebben de eigenschap dat ze terug veren.
  • Toepassingen: Afstandbedieningen, magnetron bedieningen, rekenmachines, etc.
  • Voor- en nadelen:
    • Geen scharnieren en duurzaam.
    • Eventueel het terugveren en het niet duidelijk contact maken bij een bepaalde kracht.

Weegapparatuur

Brievenweger
  • Beschrijving: Bij weegapparatuur (niet elektronisch) wordt er vaak gebruik gemaakt van een tegengewicht of een veer.
  • Toepassingen: Brievenwegers, Newtonmeters, weegschalen, etc.
  • Voordelen:
    • Vaak een eenvoudige werking
    • Wanneer er een kracht gemeten moet worden op een bepaald oppervlak kan er gebruik gemaakt worden van meerdere sensoren of een sensor verspreid over een oppervlak. De volgende twee sensoren hebben betrekking op het laatste geval.

Piezo elektrische film

Al behandeld door een andere groep.

FSR

FSR
  • Beschrijving: (force sensitive resistors) Sensor waarbij de weerstand is afhankelijk van de kracht

die op het materiaal wordt uitgeoefend. Hierbij is de verandering van de weerstand als gevolg van een kracht niet lineair.

  • Toepassingen: Bijvoorbeeld in auto elektronica, industriële computers en touch control.
  • Voordelen: Groot meet gebied, goed tegen geluid, gemakkelijk koppelen aan microprocessoren, zowel gelijkstroom als wisselspanning, zo groot of klein maken als mogelijk is en meerdere sensoren op een film mogelijk.


Versnellingssensoren

Bij een versnelling komt er een kracht op een massa te staan (F=ma). Deze kracht is vrij eenvoudig op allerlei manieren te meten.

Vervorming meten

  • Beschrijving: De massa hangt aan een balk die zal buigen wanneer er een kracht (veroorzaakt door een versnelling) op de massa werkt. Deze uitrekking van de balk kan gemeten worden door reksensoren.

Magneten

  • Beschrijving: Versnelling zorgt voor een kleinere afstand tussen de magneet en het “hall” element die deze afstand kan meten.

Spoel

  • Beschrijving: De inductie geeft de positie van de massa aan.

Condensatoren

  • Beschrijving: Er zijn verschillende configuraties mogelijk waarbij de capaciteit verandert door de kracht van een versnelling. Deze capaciteit veranderd omdat de afstand tussen de twee platen veranderd of omdat het oppervlak waar ze boven elkaar zitten veranderd. In de praktijk zien de versnellingsmeters die gebruik maken van condensator er anders uit. Er wordt geen gebruik gemaakt losse veren en de afstand die de condensator platen bewegen is heel klein.
  • Toepassingen: O.a. airbags, geleiding systemen voor wapens, vibratie en schok metingen,

satellieten, indringer alarmen, en om allerlei dingen te besturen.

  • Voor- en nadelen:
    • Het is mogelijk om meerdere assen te meten door sensoren onder een hoek te plaatsen en zijn sensoren die kleine versnellingen meten (een paar Fg en meer).
    • Demping van de massa die in beweging komt als gevolg van de versnelling is noodzakelijk omdat anders de massa kan gaan trillen verder kunnen er mogelijke fouten veroorzaakt worden door trillingen, temperatuurswisselingen en de veer die slechter wordt.


Gyroscopen

Mechanisch

Gyroscoop
  • Beschrijving: Een draaiende massa geeft tegen een kracht als reactie op torsie. Deze tegenkracht kan gemeten worden en zegt iets over de hoekverdraaiing.
  • Toepassingen: Lange tijd in vliegtuigen gebruikt.
  • Voor- en nadelen:
    • Meerdere assen meten door twee gyroscopen onder een hoek te plaatsen.
    • Vaak grote en zware sensoren en veel bewegende onderdelen/complexe constructie.

Coriolis kracht

Coriolis sensor
  • Beschrijving: Er zijn gyroscopen die op de zogenaamde Coriolis kracht gebaseerd zijn. Als een

deeltje lineair over een draaiend vlak beweegt dan komt er een kracht op dat deeltje. Deze kracht is tevens de reden waarom er orkanen ontstaan en een doucheputje draaiend leeg loopt.

  • Voordelen: De sensor kan gewoon uit Silicium gemaakt worden en is veel kleiner en goedkoper

dan de mechanische gyroscoop.

Optisch

  • Beschrijving: Er zijn twee soorten optische gyroscopen. De een maakt gebruik van het Sagnac effect. Hierbij gaan twee laserstralen in tegenovergestelde richting door een buis die in een cirkel gevormd is. Als de laserstralen vanaf een punt in de buis vertrekken en de buis stil staat, dan zullen de laserstralen in het zelfde punt elkaar weer treffen. Toch als de buis beweegt dan zal de ene laserstraal het punt eerder bereiken dan de andere doordat de laserstralen een constante snelheid hebben. Hieruit kan de rotatie gemeten worden. De tweede mogelijkheid is de “resonant fiber optic gyroscope”. Hierbij gaat een deel van de laser door een ring. Als de ring niet beweegt blijft de gehele laser in fase lopen. Als de ring beweegt moet het deel van de laser dat door de ring gaat een grotere afstand afleggen waardoor de fase van die laserstraal niet meer gelijk is aan het deel van de laser dat niet door de ring is gegaan.
  • Toepassingen: Veel toegepast in geleiding en besturingssystemen.
  • Voordelen:
    • Goedkoper dan mechanische gyroscopen maar nog steeds duur kleiner en lichter dan de mechanische gyroscopen.
    • Groot meet bereik.
    • Optical fiber gyroscopes kunnen tegen zowel elektromagnetische velden en straling waardoor ze zeer geschikt zijn voor gebruikt in vijandige omgevingen zoals de ruimte.


Handige internetlinks

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Hulpmiddelen