ΜΕΛΕΤΗ ΠΙΕΖΟΑΝΤΙΣΤΑΣΕΩΝ ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.
ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ της εργαστηριακής άσκησης είναι η πιεζοαντίσταση ή μετρητής μηχανικής τάσης (strain gauge) καθώς και η χρήση αυτής σαν μετατροπέας καταπόνησης σε ηλεκτρική αντίσταση. ΣΤΟΧΟΙ η κατανόηση της αρχής λειτουργίας της πιεζοαντίστασης η κατανόηση της αρχής λειτουργίας ηλεκτρονικών διατάξεων με χρήση πιεζοαντίστασης (ή πιεζοαντιστάσεων) για την μέτρηση της καταπόνησης ενός σώματος ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Βήμα 1. Για την διεξαγωγή της Άσκησης συνδεσμολογήσαμε διάταξη γέφυρας Wheatstone (σχήμα 8.1) όπου ο ένας κλάδος της είναι μια πιεζοαντίσταση. Την έξοδο της γέφυρας Wheatstone οδηγήσαμε στην είσοδο ενός διαφορικού ενισχυτή τον οποίο τροφοδοτήσαμε με συμμετρική τροφοδότηση ±15V. Επειδή ξέρουμε από την θεωρία ότι για την καταπόνηση που θα δεχτεί η πιεζοαντίσταση η έξοδος της γέφυρας Wheatstone θα είναι πολύ μικρή (μερικά mv), επιλέξαμε για τον διαφορικό ενισχυτή τα ακόλουθα στοιχεία: R f = 30ΚΩ και R i = 20Ω, δηλαδή επιλέξαμε ενίσχυση τάσης R f A V = = 1500 Ri R 1 = 100Ω R 2 = 100Ω Σχήμα 8.1 Την διάταξη της γέφυρας Wheatstone τροφοδοτήσαμε με τάση V B = 6V. Βήμα 2. Όταν δεν ασκούσαμε καταπόνηση στην πιεζοαντίσταση μεταβάλαμε την ρυθμιστική αντίσταση R 4 ώστε στην έξοδο της γέφυρας Wheatstone η τάση να είναι 0V. Επιπλέον είχαμε φροντίσει από πριν να κάνουμε αντιστάθμιση στον διαφορικό ενισχυτή οπότε η τάση στην έξοδο του είναι και αυτή 0V. Βήμα 3. Η πιεζοαντίσταση είναι κολλημένη στην μια πλευρά ενός μεταλλικού ελάσματος. Το μεταλλικό έλασμα με την βοήθεια ενός μικρομέτρου μπορούμε να το κάμπτουμε εκατέρωθεν της θέσεως ισορροπίας (θέση 0 = 10mm) οπότε ουσιαστικά μ αυτόν τον τρόπο υποβάλουμε την πιεζοαντίσταση σε καταπόνηση εφελκυσμού ή συμπίεσης. - 1 -
Βήμα 4. Για την διεξαγωγή λοιπόν της άσκησης εκτρέψαμε το μεταλλικό έλασμα εκατέρωθεν της θέσεως ισορροπίας (θέση 0) με βήματα 0,5mm και ασκήσαμε καταπόνηση στην πιεζοαντίσταση. Με το βολτόμετρο μετρήσαμε την τάση που εμφανίστηκε στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή, η οποία τάση είναι το γινόμενο της προκύπτουσας τάσης ανισορροπίας στην γέφυρα Wheatstone (προκύπτουσα λόγω της καταπόνησης της πιεζοαντίστασης) επί την ενίσχυση A V του ενισχυτή. Με τις μετρήσεις που πήραμε συμπληρώσαμε τον παρακάτω πίνακα 8.1. Θέση Μικρομέτρου (σε mm) Έξοδος Γέφυρας Wheatstone (σε mv) Έξοδος Διαφορικού Ενισχυτή (σε V) Είδος Καταπόνησης 10,5 11 11,5 12 Εφελκυσμός 11,5 11 10,5 9,5 9 8,5 8 Συμπίεση 8,5 9 9,5 10 ΘΕΣΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Πίνακας 8.1 1 πιεζοαντίσταση - 2 -
Βήμα 5. Στο παρακάτω διάγραμμα 8.1 θα σχεδιάσουμε με μπλε στυλό την τάση εξόδου του διαφορικού ενισχυτή συναρτήσει της θέσεως του μεταλλικού ελάσματος (από τις τιμές του πίνακα 8.1). 700mV 8 12mm -700mV Διάγραμμα 8.1 Από την μορφή της σχεδιασθείσας καμπύλης (μπλε στυλό) θα απαντήσουμε στα κάτωθι ερωτήματα: α) Τι μορφή έχει η καμπύλης μας; Ποια θα πρέπει να είναι η αναμενόμενη θεωρητική της μορφή με βάση τις ιδιότητες της πιεζοαντίστασης, της ηλεκτρονικής διάταξης (αποτελούμενης από γέφυρα Wheatstone DC τελεστικό ενισχυτή) και του μεταλλικού ελάσματος (κινείται εντός των ορίων γραμμικότητας); - 3 -
β) Ποια είναι η κλίση της σε mv/mm; γ) Συμπίπτει το τμήμα της καμπύλης που αντιστοιχεί στην αύξηση της μετατόπισης (από τα 8mm στα 12mm) με εκείνο που αντιστοιχεί στην μείωση της μετατόπισης (από τα 12mm στα 8mm); Θεωρητικά θα έπρεπε να συμπίπτει; Αν όχι για ποιους λόγους θα μπορούσε να συμβεί αυτό; - 4 -
δ) Είναι ίδια η έξοδος για την αρχική και την τελική θέση των 10 mm; Αν όχι που οφείλετε η διάφορα; Βήμα 7. Στην συνέχεια της άσκησης συνδεσμολογήσαμε διάταξη γέφυρας Wheatstone (σχήμα 8.2) με 2 πιεζοαντιστάσεις. Την έξοδο της γέφυρας Wheatstone οδηγήσαμε πάλι στην είσοδο ενός διαφορικού ενισχυτή τον οποίο τροφοδοτήσαμε με συμμετρική τροφοδότηση ±15V. Επιλέξαμε πάλι για τον διαφορικό ενισχυτή: R f = 30ΚΩ και R i = 20Ω, δηλαδή ενίσχυση τάσης R f A V = = 1500 Ri Σχήμα 8.2 Την διάταξη της γέφυρας Wheatstone τροφοδοτήσαμε με τάση V B = 2V. - 5 -
Βήμα 8. H μία πιεζοαντίσταση είναι κολλημένη στην μια πλευρά του μεταλλικού ελάσματος και η άλλη πιεζοαντίσταση στην άλλη πλευρά. Το μεταλλικό έλασμα με την βοήθεια του μικρομέτρου μπορούμε να το κάμπτουμε εκατέρωθεν της θέσεως ισορροπίας (Θέση 0 = 10mm) οπότε ουσιαστικά μ αυτόν τον τρόπο υποβάλουμε πάλι τις πιεζοαντιστάσεις σε καταπόνηση Εφελκυσμού-Θλίψης. Η διάφορα με την διάταξη του σχήματος 8.1 είναι ότι τώρα όταν το μεταλλικό έλασμα έχει εκτραπεί κατά μία κατεύθυνση, η μία πιεζοαντίσταση υποβάλλεται σε εφελκυσμό ενώ ταυτόχρονα η άλλη πιεζοαντίσταση υποβάλλεται σε συμπίεση. Έτσι για το ίδιο μέτρο καταπόνησης στο μεταλλικό έλασμα, έχουμε διπλάσια τάση ανισορροπίας στην έξοδο της γέφυρας Wheatstone και κατ επέκταση διπλάσια τάση στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή απ ότι με την διάταξη του σχήματος 8.1. Βήμα 9. Εκτρέψαμε πάλι το μεταλλικό έλασμα εκατέρωθεν της θέσεως ισορροπίας (Θέση 0) με βήματα 0,5mm ασκώντας έτσι καταπόνηση άμεσα στο μεταλλικό έλασμα και έμμεσα στις 2 πιεζοαντιστάσεις. Με το βολτόμετρο μετρήσαμε την τάση που εμφανίστηκε στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή, η οποία τάση είναι το γινόμενο της προκύπτουσας τάσης ανισορροπίας στην γέφυρα Wheatstone (προκύπτουσα λόγω της καταπόνησης των πιεζοαντιστάσεων) επί την ενίσχυση Av του ενισχυτή. Με τις μετρήσεις που πήραμε συμπληρώσαμε τον παρακάτω πίνακα 8.2. Θέση Μικρομέτρου (σε mm) Έξοδος Γέφυρας Wheatstone (σε mv) Έξοδος Διαφορικού Ενισχυτή (σε V) Είδος Καταπόνησης 10,5 11 11,5 12 11,5 11 10,5 Εφελκυσμός στην 1 η πιεζοαντίσταση Συμπίεση στη 2 η πιεζοαντίσταση 9,5 9 8,5 8 8,5 9 9,5 Συμπίεση στην 1 η πιεζοαντίσταση Εφελκυσμός στη 2 η πιεζοαντίσταση Πίνακας 8.2-2 πιεζοαντιστάσεις - 6 -
Βήμα 10. Στο παραπάνω διάγραμμα 8.1 (σελίδα 3) θα σχεδιάσουμε με κόκκινο στυλό την τάση εξόδου του διαφορικού ενισχυτή συναρτήσει της θέσεως του μεταλλικού ελάσματος (από τις τιμές του πίνακα 8.2) για τις 2 πιεζοαντιστάσεις και θα απαντήσουμε στα παρακάτω ερωτήματα: α) Τι μορφή έχει η καμπύλη σας; β) Ποια είναι η κλίση της σε mv/mm; Αν την συγκρίνουμε με την κλίση που υπολογίσαμε προηγουμένως για την μια πιεζοαντίσταση σε ποια συμπεράσματα οδηγούμαστε; γ) Με βάση τα παραπάνω συμπεράσματα ποια διάταξη (με 1 ή με 2 πιεζοαντιστάσεις) είναι προτιμότερη για την μέτρηση της καταπόνησης ενός σώματος; - 7 -