CW7L.pdf

Wydział Mechaniczny

Kierunek: MECHATRONIKA

LABORATORIUM ELEKTRONIKI

Ćwiczenie 7

Przetworniki elektroniczne do pomiaru wielkości

mechanicznych: akcelerometr, czujnik żyroskopowy,

tensometr

Gdańsk, 2010

1. Cel ćwiczenia

•

zapoznanie się z budową i zasadą działania akcelerometru,

•

zapoznanie się z budową i zasadą działania czujnika żyroskopowego,

•

zapoznanie się z budową i zasadą działania tensometru.

2. Wstęp

Współczesne układy pomiaru wielkości mechanicznych powszechnie wykorzystują

przetworniki elektroniczne, zamieniające mierzoną wielkość mechaniczną – prędkość kątową,

przyspieszenie, siłę (naprężenie) – na wielkość elektryczną, z reguły w postaci analogowego

sygnału napięciowego lub prądowego.

Akcelerometry

Akcelerometry (przyspieszeniomierze) są czujnikami przetwarzającymi

przyspieszenie statyczne lub dynamiczne na sygnał elektryczny. Obecnie akcelerometry

znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach. Są wykorzystywane między innymi w:

przemyśle – pomiary wibracji i udarów, diagnostyka łożysk, pomiary parametrów

ruchu maszyn i urządzeń, wykrywanie trzęsień ziemi,

przemyśle samochodowym – systemy kontroli trakcji, systemy bezpieczeństwa,

medycynie – monitoring czynności życiowych, protezy,

systemach alarmowych – czujniki ruchu,

systemach nawigacyjnych – pomiary położenia obiektów, GPS,

komputerach i telefonach – peryferia komputerowe, dyski optyczne, czujniki

położenia.

Żyroskop prędkościowy

Żyroskop jest to ciało sztywne, szybko wirujące wokół swej osi symetrii. Oś

wirowania żyroskopu zachowuje stały kierunek w przestrzeni. Właściwość tę wykorzystuje

się w aparaturze automatycznego kierowania ruchem samolotów, torped, rakiet itd. W

żyroskopach o dwóch stopniach swobody (swoboda ustawiania się osi żyroskopu jest tu

ograniczona), gdy podstawa takiego żyroskopu obraca się wokół pewnej osi, oś wirowania

stara się zająć kierunek do niej równoległy. Tę właściwość wykorzystuje się m.in. do pomiaru

odchylenia toru lotu samolotu od toru prostoliniowego, w aparaturze do nawigacji inercjalnej,

w urządzeniach łagodzących kołysanie statku. Warunkiem dobrej pracy żyroskopu jest duża

prędkość obrotowa i małe tarcie w łożyskach. Ten drugi cel osiąga się łożyskując żyroskop na

strumieniu sprężonego powietrza lub " zawieszając " go w polu elektrostatycznym. Efekt

żyroskopowy wykorzystano m.in. w żyroskopowych czujnikach prędkościowych, które

generują sygnał napięciowy proporcjonalny do prędkości obrotowej (kątowej) czujnika.

Przetworniki takie znajdują zastosowanie m.in. w: nawigacji GPS, kontroli trakcji pojazdów

(układy stabilizacji toru jazdy ESP), stabilizacji obiektów, kierowaniu i kontroli (np.

pojazdów).

Tensometr

Tensometry są czujnikami, w których rezystancja zmienia się proporcjonalnie do ich

odkształcenia. Tensometry wykonuje się w postaci cienkich drutów, siatek lub folii z metalu

lub materiału półprzewodnikowego. Podczas działania sił zewnętrznych tensometry ulegają

odkształceniu. Wraz z wymiarami geometrycznymi zmianie ulega ich rezystancja. Najczęściej

stosowane są tensometry metalowe zbudowane z bardzo cienkich przewodów ułożonych w

kształcie siatki o liniach równoległych (aby zwiększyć długość czynną poddawaną

odkształceniom). Siatka naklejana jest na nośnik, a nośnik bezpośrednio na powierzchnię

elementu, którego odkształcenie jest mierzone. Do głównych zalet tensometrów zalicza się:

dużą czułość i dokładność pomiaru, niezawodność, małe wymiary i masę, niewrażliwość na

wstrząsy oraz duże częstotliwościowe pasmo pomiarowe.

Zmiany oporności tensometru pod wpływem odkształceń są niewielkie (ułamki

Ohma), dlatego do ich pomiaru wykorzystuje się układy mostka Wheatstone’a. Dla

zwiększenia czułości i linearyzacji zależności napięcia wyjściowego mostka od odkształcenia

stosuje się często dwa aktywne tensometry w układzie półmostka. W celu kompensacji

temperaturowych zmian rezystancji tensometru stosuje się układ pełnego mostka z czterema

tensometrami. Przy pomiarze tak małych rezystancji, istotny wpływ na niezrównoważenie

mostka ma opór przewodów połączeniowych. Tensometry stosuje się m.in. do pomiaru

ciśnienia (naklejone na membranę czujnika), do pomiaru siły i momentu obrotowego

(naklejane na odkształcany element) oraz pomiaru sił nacisku (tensometry o nacisku

prostopadłym).

3. Przebieg ćwiczenia

W ramach realizacji ćwiczenia należy wykonać badania układów wskazanych przez

prowadzącego.

Układ laboratoryjny z akcelerometrem

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zestawem projektowo-uruchomieniowy

akcelerometru ADXL202 firmy Analog Devices wraz z dostarczonym oprogramowaniem

testowym.

Zestaw składa się z układu ADXL202 połączonego z mikrokontrolerem. Zadaniem

mikrokontrolera jest konwersja sygnałów PWM czujnika i obsługa transmisji szeregowej z

nadrzędnym komputerem PC. Wraz z zestawem dostarczone jest oprogramowanie

umożliwiające kalibrację układu, obróbkę danych i wizualizację sygnałów z czujnika w czasie

rzeczywistym.

Akcelerometr ADXL202 jest dwuosiowym czujnikiem mikromechanicznym

umieszczonym w obudowie układu scalonego. Czujnik mierzy przyspieszenia dynamiczne

(np. wstrząsy, drgania, przyspieszenie w ruchu) i statyczne (np. przyspieszenie ziemskie,

nachylenie) do ±2g. Posiada wyjścia analogowe (X FILT , Y FILT ) i cyfrowe (X OUT , Y OUT ) osobne

dla każdej z osi. Wyjścia cyfrowe typu PWM umożliwiają podłączenie układu do systemu

mikroprocesorowego bez użycia przetwornika C/A (rys. 1).

Rys. 1. Schemat blokowy układu ADXL202

Współczynnik wypełnienia sygnałów wyjściowych akcelerometru jest proporcjonalny

do działającego na układ przyspieszenia. Przyspieszeniu 0 odpowiada wypełnienie 50%.

Zmiana przyspieszenia o 1g powoduje zmianę wypełnienia o 12,5%. Przykładowy przebieg

wyjściowy sygnału PWM przedstawia rys. 2.

Rys. 2. Przykładowy przebieg wyjściowy PWM układu

ADXL202

Maksymalne pasmo pomiarowe wynosi 500 Hz dla wyjść cyfrowych i 5 kHz dla

wyjść analogowych. Szerokość pasma w obu kanałach ustala się za pomocą kondensatorów

C X i C Y (rys 1).

Przebieg ćwiczenia:

•

Zestaw testowy należy podłączyć do wolnego portu COM w komputerze PC i uruchomić

program X-analyze . Po uruchomieniu powinno pokazać się okno jak na rys. 3. Aby

uaktywnić wszystkie opcje, należy wcisnąć przycisk Add a connection , wybrać

odpowiednie połączenie i zatwierdzić.

Rys. 3. Okno programu X-analyze

•

Uruchomić program analizy czasowej. Położyć płytkę płasko na stole i dokonać kalibracji

układu (oba przebiegi powinny pokrywać się z osią X wykresu).

−

Poruszać energicznie płytką (w obu kierunkach) i zaobserwować jaką maksymalną

wartość przyspieszenia możemy zmierzyć. Porównać z danymi katalogowymi.

−

Przeskalować wykres tak, aby można było łatwo zaobserwować wartość przyspieszenia

ziemskiego. Postawić płytkę prostopadle do stołu i zaobserwować przebiegi. Powtórzyć

to dla każdego boku płytki. Zaobserwować czy wyniki pomiarów pokrywają się z

osiami zaznaczonymi na płytce – wynik przedstawić graficznie.

−

Obliczyć jakie przyspieszenie dla każdej z osi wskaże układ przechylony pod kątem

45º, 135º, 225º i 315º. Sprawdzić to doświadczalnie. Wartości dokładne można uzyskać

rejestrując pomiary. W tym celu należy wcisnąć ikonę Log all connections na ok. 1 s.

Wyniki pomiarów domyślnie znajdują się w katalogu C:\data. Wyniki przedstawić

graficznie wraz z obliczeniami.

•

Uruchomić program analizy FFT. Wykalibrować układ. Poruszać płytką zgodnie z

kierunkiem osi układu ADXL202 i zaobserwować przebiegi. Zaobserwować zmiany w

widmie. Jak wykorzystać praktycznie analizę FFT sygnału z akcelerometru?

•

Uruchomić program „poziomicy”. Ustawić maksymalny zakres (90º) i wykalibrować

układ.

−

Zmieniać położenie płytki i obserwować przemieszczanie się wskaźnika „poziomicy”.

Czy kierunek i zwrot osi jest poprawny?

−

Zmniejszyć zakres i powtórzyć doświadczenie. Dlaczego dla małego zakresu kątów

trudno jest uzyskać stabilny wynik?

Układ laboratoryjny z czujnikiem żyroskopowym

Badany w ćwiczeniu przetwornik to żyroskop prędkościowy firmy Analog Devices

ADXRS150 z czujnikiem mikromaszynowym. Podstawowe parametry przetwornika:

• typowa czułość k gtyp = 12,5 mV/°/s (minimalna 11,25, maksymalna 13,75);

• napięcie zasilania V CC = 5 V

• prąd pobierany (typowo) I CC = 6 mA

• napięcie wyjściowe dla zerowego sygnału V Out0 = 2,5±0,3 V

• pasmo przenoszenia do 40 Hz (dla konfiguracji użytej w ćwiczeniu)

• częstotliwość rezonansowa czujnika f r = 14 kHz

• zakres zmian napięcia wyjściowego 0,25 do 4,75 V

• zakres temperatur pracy -55 °C do +125 °C

Uwaga!!! Czujnik nie jest odporny na wyładowania elektrostatyczne (ESD).

Zastosowania: nawigacja GPS, kontrola trakcji pojazdów, stabilizacja obiektów, wewnętrzne

systemy pomiarowe, kierowanie i kontrola (np. pojazdów).

Schemat blokowy układu pomiarowego pokazano na rys. 4. Płytkę z żyroskopem

umieszczono w układzie umożliwiającym obracanie przetwornika o zadany kąt. Napięcie

wyjściowe z przetwornika, proporcjonalne od prędkości obrotowej, rejestrowane jest przez

oscyloskop. Przebiegi mogą być rejestrowane na zewnętrznej karcie pamięci oscyloskopu i

przenoszone za pośrednictwem portu USB do komputera. Układ czujnika zasilany jest z

zasilacza laboratoryjnego +5 V.

Zasilacz 5V

Workstation

+ -

Komputer

rejestrujacy

dane

Oscyloskop

VCC

GND

RATE OUT

AGND

Przetwornik

Żyroskopowy

Rys. 4. Schemat blokowy układu do badania czujnika żyroskopowego

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: