3.6. Czujniki pomiarowe

Czujniki pomiarowe wykorzystuje się w pomiarach samodzielnie lub jako element składowy innych przyrządów pomiarowych, rozszerzając ich zakres zastosowania. Stosuje się je w pomiarach porównawczo-różnicowych. W konstrukcjach czujników wykorzystuje się przetworniki mechaniczne, optyczne oraz elektryczne, których zasada działania oparta jest o bardzo dużą gamę zjawisk fizycznych zachodzących w przyrodzie.

3.6.1. Czujnik zębaty-zegarowy

W czujniku zębatym zastosowano przetwornik zębaty (rys.3.15). Do mocowania czujnika w układach pomiarowych służy tuleja chwytowa o średnicy 8mm. Zasada pracy przetwornika polega na obrocie zespołu kół zębatych zazębionych z zębatką, naciętą na przemieszczającym się liniowo trzpieniu pomiarowym 1. Sprężyna 11 zapewnia jednostronną współpracę zębów kół zębatych co pozwala utrzymać płynne przemieszczanie wskazówek. Tarcza obrotowa z podziałką główną 3 jest obracana za pomocą pierścienia 9 co umożliwia nastawiać wartość zerową w tak zwanym procesie zerowania czujnika.

trzpień pomiarowy; końcówka pomiarowa; tarcza obrotowa z podziałką główną 0.01mm; tarcza stała z podziałką pomocniczą 1mm; wskazówka duża; wskazówka mała; wskaźniki tolerancji; tuleja chwytowa; pierścień do nastawiania tarczy obrotowej z podziałką główną (zerowanie czujnika); końcówka chwytowa dla podnoszenia trzpienia pomiarowego; sprężyna do kasowania luzu między zębami kół zębatych. - koła zębate przetwornika zębatego. Nacisk pomiarowy trzpienia pomiarowego nie powinien przekraczać 1,5 N. Wartość działki elementarnej wynosi 0,01mm.

Rys.3.15. Czujnik zębaty a) widok b) schemat budowy

Czujnik zębaty często wykorzystuje się jako część składową innych przyrządów pomiarowych rozszerzając ich zakres zastosowania.

3.6.2. Czujnik dźwigniowo zębaty - transametr

Czujnik dźwigniowo zębaty ma zastosowanie w pomiarach długości metodą porównawczo-różnicową. W czujniku zastosowano przetwornik dźwigniowo zębaty z którym sprzężone jest ruchome kowadełko 5 (rys.3.16). Duże przełożenie czujnika wynika z budowy dźwigni o dwóch ramionach z których krótsze styka się z kowadełkiem 5. Drugie ramię zakończone jest sektorowym kołem zębatym, współpracującym z małym kołem w osi którego zamocowana jest wskazówka. Pomiar czujnikiem polega na wstępnym nastawieniu wartości zerowej z wykorzystaniem wzorca w postaci płytki wzorcowej a następnie określeniu odchyłki między wzorcem i wielkością mierzoną. Dobór miary wzorca odbywa się na podstawie wstępnego pomiaru mikrometrem. Wzorzec wstawia się między powierzchnie pomiarowe elementów 4 i 5, następnie pokręca nakrętką 3 przesuwu kowadełka do uzyskania wskazania zerowego na podziałce czujnika. Takie nastawienie blokuje się tuleją zaciskową 2. W celu wyjęcia płytek wzorcowych oraz wstawienia detalu należy odciągnąć powierzchnie pomiarowe, używając dźwigni odsunięcia kowadełka 7.

	korpus; tuleja zaciskowa; nakrętka przesuwu kowadełka; kowadełko; kowadełko ruchome; sprężyna nacisku pomiarowego; dźwignia odsunięcia kowadełka ruchomego. Działka elementarna czujnika 2 μm; Zakres pomiarowy podziałki czujnika ± 80 μm
Rys. 3.16. Czujnik dźwigniowo -zębaty

3.6.3. Średnicówki czujnikowe

Średnicówki czujnikowe służą do pomiarów wewnętrznych w szerokim zakresie pomiarowym. Dla przedziału średnic 4 ÷18 mm stosuje się średnicówki rozprężne, których końcówki pomiarowe doznają przemieszczenia przez przesuwny stożek połączony z trzpieniem pomiarowym czujnika zębatego. Przy pomiarze wielkości większych od 18 mm mają zastosowanie średnicówki z wymiennymi końcówkami pomiarowymi, których ruch zostaje zamieniony w przesuw trzpienia za pomocą przekładni dźwigniowej. Stosuje się średnicówki czujnikowe, wymagające do zerowania wzorce nastawcze oraz takie, które dla regulacji posiadają wmontowane głowice mikrometryczne w osi trzpienia czujnika zębatego. Średnicówka czujnikowa dla zakresu pomiarowego 18 ÷ 35 mm (rys.3.17a) zbudowana jest z czujnika zębatego 4 osadzonego w tulei 1 z uchwytem 2. W tulei znajduje się przedłużacz wraz ze sprężyną zadającą nacisk pomiarowy. Przedłużacz poprzez dźwignię przenosi ruch posuwisty stałej końcówki pomiarowej 7 do trzpienia czujnika zębatego 4. Naprzeciw końcówki stałej zamocowanej w tulejce 5 wkręca się końcówkę pomiarową wymienną 8.

a	b
Rys.3.17. Budowa ( a ) oraz zerowanie ( b ) średnicówki czujnikowej

Przygotowanie średnicówki do pomiaru wymaga wstępnego określenia wartości wielkości mierzonej dla doboru właściwej końcówki oraz nastawienia zerowego wskazania przyrządu (zerowanie). Zerowanie średnicówki czujnikowej wykonuje się w otworze pierścienia wzorcowego lub w uchwycie z płytkami wzorcowymi. W warunkach warsztatowych, stosowanie wzorców na stanowisku pracy jest utrudnione, dlatego często stosuje się zerowanie przy pomocy mikrometru (rys.3.17b), jednakże zwiększa to znacznie błąd pomiaru. W czynnościach zerowania końcówki pomiarowe średnicówki wstawia się między powierzchnie pomiarowe wrzeciona i kowadełka. Proces zerowania polega na nastawieniu zerowego wskazania czujnika zębatego średnicówki czujnikowej, gdy końcówki pomiarowe przyrządu są prawidłowo ustawione między powierzchniami odtwarzającymi wymiar nastawczy (minimum wymiaru). Prawidłowość ustawienia przyrządu potwierdza zgranie wskazania zerowego z punktem zwrotnym wskazówki na podzielni przy ruchach przyrządem w różnych kierunkach. W trakcie pomiaru wielkości wewnętrznej wykonuje się średnicówką ruchy kątowe w płaszczyźnie przekroju osiowego. Miara odchylenia punktu zwrotnego wskazówki od zera stanowi różnicę między wymiarem nastawczym a wymiarem mierzonym. Średnicówki czujnikowe wykorzystywane w pomiarach w zakresie powyżej 35 mm, dla nastawy zerowej czujnika na wymiar nominalny, mają wmontowaną głowicę mikrometryczną nad czujnikiem zębatym. Na głowicy mikrometrycznej nastawia się różnicę wartości między wymiarem nominalnym i dolną granicą przedziału pomiarowego wybranej końcówki pomiarowej. Dobraną końcówkę pomiarową wkręca się do przyrządu naprzeciw końcówki stałej. Dla prawidłowego ustawienia średnicówki w przekroju poprzecznym cylindra służą tulejki nasadzane na końcówkę stałą odpowiednio do wartości wielkości mierzonej. Przy pomiarze średnicy w przekroju osiowym wykonujemy przyrządem kątowe ruchy znajdując punkt zwrotny wskazówki, który określa różnicę między wymiarem nastawczym i wartością wielkości mierzonej.

Tablica 3.4. Charakterystyki metrologiczne w przyrządach czujnikowych

mechanicznych zgodnie z DzUMiP Nr 11/96

Rodzaj przyrządu czujnikowego	Całkowity zakres pomiarowy mm	Wartość działki elementarnej mm	Granice błędów dopuszczalnych* mm	Histereza mm
Czujnik dźwigniowo-zębaty	0 ÷ 0.8 0 ÷ 0.5	0.01	±0,010 ±0,007	0,003
		0 ÷ 0.5 0 ÷ 0,4	0.005	±0,006 ±0,005	0,002
						0 ÷ 0,2	0.002	±0,00 4	0,002
Czujnik mechaniczny z działką elementarną o wartości 1μm, 2μm		0.002 0.001	±0.008 ±0.005	0,001 0,002
Czujnik zębaty zegarowy		0,01	±0,02	0,003
Średnicówka z czujnikiem zegarowym	do 50 powyżej 50	0,01 0,01	±0,015 ±0,020

* Dotyczy całego zakresu pomiarowego czujnika.

Tablica 3.5. Granice błędów wskazań czujników mechanicznych z działką

elementarną 1μm, 2 μm oraz czujników zębatych zegarowych w zakresach

cząstkowych wg DzUMiP Nr 11/96

Wartość działki elementarnej czujnika	Granice błędów dopuszczalnych w przedziałach cząstkowych obejmujących:
		1/10 obrotu wskazówki	1/2obrotu wskazówki	1 obrót wskazówki	2 obroty wskazówki
		mm
0,01 mm	±0,005	±0,008	±0,01	±0,015
2μm	±0,001	±0,003	±0,004	±0,006
1μm	±0,0005	±0,002	±0,003	±0,004

Tablica 3.6. Granice błędów dopuszczalnych wskazań przyrządów czujnikowych

mechanicznych wg DzUMiP Nr 11/96

Przyrząd czujnikowy	Przedział cząstkowy zakresu pomiarowego	Granica błędów dopuszczalnych μm
Mikrometr z wbudowanym czujnikiem	10 działek elementarnych	±1
		40 działek elementarnych	±2
	Transametr	10 działek elementarnych	±1
		40 działek elementarnych	±2

Tablica 3.7. Wartości nacisków pomiarowych czujników mechanicznych

zgodnie z DzUMiP Nr 11/96

Rodzaj przyrządu czujnikowego mechanicznego	Wartość nacisku pomiarowego N	Rodzaj przyrządu czujnikowego mechanicznego	Wartość nacisku pomiarowego N
Mikrometr z wbudowanym czujnikiem	5 ÷ 10	Czujnik dźwigniowo-zębaty	0,5
Transametr	5 ÷ 10	Średnicówka z czujnikiem zegarowym o zakresie pomiarowym do 50 mm powyżej 50 mm	1,5 ÷ 3,5 3,0 ÷ 6,0
Czujnik mechaniczny z działką elementarną o wartości 1 μ m i 2 μ m	0.4 ÷ 2
Czujnik zębaty zegarowy	0,4 ÷ 1,5

3.6.4. Czujnik optyczny - optimetr

Optimetr pionowy stosuje się do pomiarów zewnętrznych w zakresie pomiarowym 0÷180 mm metodą porównawczo-różnicową. Wartość działki elementarnej optimetru wynosi 1 m przy błędzie wskazań wskazań 0.3 m, w zakresie pomiarowym czujnika ±100m. Mały zakres pomiarowy podziałki powoduje, że przyrząd wymaga stosowania różnicowej metody pomiarowej z wykorzystaniem płytek wzorcowych. Budowę układu optycznego oraz ogólny widok optimetru przedstawia rysunek 3.18.

	1-trzpień pomiarowy; 2-ruchome zwierciadło; 3-oś obrotu zwierciadła; 4-obiektyw; 5-pryzmat; 6-płytka szklana z podziałką; 7-pryzmat; 8-zwierciadło; 9-okular obserwacyjny; 10-wymienna końcówka; pomiarowa. Nacisk pomiarowy 2,0±0,5 N; Maksymalne odchylenie od płaskości powierzchni pomiarowej stołu 1μm.
Rys 3.18. Optimetr pionowy a - schemat optyczny; b - widok podziałki; c - widok ogólny

Układu oświetlający podświetla naniesioną na płytce szklanej 6 podziałkę. Znajduje się ona w płaszczyźnie przedmiotu dla układu optycznego, składającego się z pryzmatu 5, obiektywu 4, zwierciadła 2 oraz okularu obserwacyjnego 9. Obraz tej podziałki jest otrzymywany na płytce szklanej 6 w drugiej jej części, gdzie naniesiony jest wskaz. Przemieszczenie trzpienia pomiarowego powoduje obrót zwierciadła 2 o mały kąt co doprowadza do przemieszczenia obrazu podziałki względem nieruchomego wskazu. Przełożenie układu optyczno-mechanicznego jest duże. Obraz podziałki widoczny jest w okularze lub na ekranie. Pomiar optimetrem polega na określeniu różnicy między znaną miarą wzorca a wartością wielkości mierzonej. Wzorzec umieszcza się na stoliku optimetru pod trzpieniem pomiarowym i przeprowadza regulację ustawienia czujnika na kolumnie. Czynności regulacyjne wykonuje się do momentu uzyskania wskazania zerowego. Przy ustawieniu wzorców i detalu na stole pomiarowym należy odciągać trzpień pomiarowy od powierzchni styku, dla zabezpieczenia przed uszkodzeniem przyrządu oraz zarysowaniem powierzchni wzorców. Służy do tego dźwignia obok trzpienia pomiarowego. Przedmiot mierzony należy umieścić na stoliku tak, aby jego powierzchnia spoczywała na wzorcowej rowkowanej płaszczyźnie. Dla detali o przekroju kołowym oznacza to, że tworząca walca powinna być ustawiona pod kątem prostym do kierunku występów stolika. Optimetry są wyposażone w okular obserwacyjny (jak na rysunku 3.6.4) lub w ekran projekcyjny. Błąd pomiaru
dla optimetru projekcyjnego (dane producenta) wyraża zależność

( 3.6.1)

gdzie: Δ - odchyłka odczytana na podziałce;

L - wartość wielkości mierzonej mm.

3.6.5. Czujnik indukcyjny -Bimetr

Przyrząd stosuje się do pomiarów wymiarów zewnętrznych metodą różnicową. W czujnikach indukcyjnych wykorzystuje się zmianę indukcyjności cewek przetwornika pod wpływem przemieszczenia trzpienia pomiarowego. Zmiany indukcyjności cewek przetworników mogą być zrealizowane w różny sposób, jak na rysunkach 3.19.

• układu dławikowego prostego (rys 3.20a);

• układu dławikowego różnicowego ( rys.3.20b);

• układu solenoidalnego ( rys.3.20c).

Rys. 3.19. Bimetr- czujnik indukcyjny	Rys.3.20. Schematy budowy czujników indukcyjnych

Przetwornik indukcyjny w jest zamocowany sztywno w uchwycie (rys.3.19). Przemieszczenie uchwytu wzdłuż kolumny odbywa się za pomocą pokrętła na kolumnie po wcześniejszym odblokowaniu układu ruchu i jest wykonywane podczas zerowania wskazania czujnika. Do przetwornika indukcyjnego podłączone jest urządzenie wskazujące, mające możliwość pracy w dwóch zakresach pomiarowych tj.; ± 20 m i ± 200 m. Zaletami czujników indukcyjnych są:

• stosunkowo duży zakres pomiarowy;

• możliwość zmiany zakresu pomiarowego;

• duża dokładność wskazań oraz małe gabaryty.

---