Download - Seminarski senzori
-
8/13/2019 Seminarski senzori
1/20
Univerzitet u Bnjoj LuciMainski fakultet
SEMINARSKI RAD IZ AKTUATORA I SENZORA
Akcelerometar i iroskop
Milovanovi Predrag
Banja Luka, 2014.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
2/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
2
SADRAJ1. UVOD ...................................................................................................................................... 3
2. AKCELEROMETAR .............................................................................................................. 4
2.1. Uopteno........................................................................................................................... 4
2.2. Podjela akcelerometara .................................................................................................... 4
2.2.1. Piezoelektrini........................................................................................................... 5
2.2.2. Piezootporniki......................................................................................................... 9
2.2.3. Kapacitivni .............................................................................................................. 10
2.2.4. Servo akcelerometri s regulisanim pomakom ......................................................... 12
2.2.5. Optiki..................................................................................................................... 13
3. IROSKOP........................................................................................................................... 15
3.1. Uopteno......................................................................................................................... 15
3.2. Mehaniki iroskopi....................................................................................................... 16
4. ZAKLJUAK....................................................................................................................... 19
LITERATURA ............................................................................................................................. 20
-
8/13/2019 Seminarski senzori
3/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
3
1.UVODTema ovog seminarskog rada je akcelerometri i iroskopi, te njihovopis naina rada i
podjela.
Akcelerometri prvenstveno slue za mjerenje linearnih akceleracija. Ta vrijednost se
kasnije, raunskim putem moe transformisati u eljene vrijednosti, poput prijeenog puta,
poloaja u odnosu na zemljino gravitacijsko polje (ugao nagiba).
iroskopi slue za mjerenje ugaone brzine tijela koje rotira. Njihovim korienjem se
dobiva informacija o ugaonoj brzini, ijom integracijom se dobiva ugao zaokreta mjerene
platforme. Za odreivanje trenutnog nagiba koriste se dvije vrste senzora: dvo-osni akcelerometar
i jedno-osni iroskop.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
4/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
4
2.AKCELEROMETAR
2.1. Uopteno
Akcelerometri su senzori za mjerenje akceleracije, odnosno sile inercije. Mogu mjeriti
akceleraciju u jednom ili vie smjerova, pri emu su ti smjerovi okomiti jedan na drugi. Postoje
razliite vrste akcelerometra, pa prema tome rade i na razliitim principima.
Akcelerometri imaju iroku primjenu. Koriste se za mjerenje i analizu parametra vibracija
i udara, kod maina u hidroenergetskim postrojenjima, elektromotornim pogonima, u
automobilskoj industriji, kod seizmikihmjerenja itd..
2.2. Podjela akcelerometara
Prema principu rada akcelerometri mogu biti:
1. piezoelektrini,
2. piezootporniki,
3. kapacitivni,
4. servo,
5. optiki.
S obzirom na mjerni opseg razlikujemo akcelerometre sa:
1. uim frekvencijskim rasponom (za niske akceleracije)
2. irim frekvencijskim rasponom (za visoke akceleracije)
Dalje u poglavlju slijedi opis akcelerometara prema podijeli, zavisno o principu rada.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
5/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
5
2.2.1. Piezoelektrini
Piezoelektrini akcelerometar koristi piezoelektrini efekt od odreenih materijala kako bi
mjerio dinamike promjene u mehanikim veliinama (na primjer akceleracija, vibracija i
mehaniki udar). Kao kod svih mjernih pretvaraa, ovaj tip akcelerometra pretvara jedan oblik
energije u drugi stvarajui elektrini signal kao posljedicu veliine, svojstva i stanja mjerene
veliine. Koristei uoptenu metodu na kojoj se temelje svi akcelerometri, dakle djelovanjem
akceleracije na seizmikumasu koja je ograniena s oprugom ili konzolom, dobije se elektrini
signal na osnovu sile. Prije nego to se akceleracija pretvori u elektrinu veliinu,prvo se mora
pretvoriti u silu ili pomak. Ova transformacija se ostvaruje pomou maseno-oprunog sistema
prikazanog na slici 2.1. Kad sila djeluje na akcelerometar, seizmikamasa puni piezoelektrinielement prema drugom Newtonovom zakonu kretanja (F = ma) ime se mijenja napon
piezoelektrinog elementa.
Slika 2.1: Princip rada piezoelektrinog akcelerometra
Piezoelektrini materijali koji se koriste za akcelerometre su quartz kristali i keramikielementi. Quartz kristali mada imaju vei mjerni raspon, glavni nedostatak u odnosu na
piezoelektrine keramike elemente je manja osjetljivost i via cijena proizvodnje. Nedostatak
keramikih materijala je da njihova osjetljivost opada tokom vremena, inei ivotni vijek takve
naprave manji od materijala napravljenih od quartz kristala.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
6/20
-
8/13/2019 Seminarski senzori
7/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
7
Savojna struktura (engl. Bending design)
Savojna konfiguracija u obliku grede koristi osjetne kristale, koji su potpomognuti da bi se
postigla deformacija na kristalu pri nekom ubrzanju. Kristal moe biti povezan s nosaem grede
koji poveava iznos deformacije pri ubrzanju. Ova konfiguracija ima najbolji omjer signala igreke, ali je temperaturno nestabilna i nije robusan.
Slika 2.3: Savojna struktura
Pritisna struktura (engl. Compression design)
Pritisna konfiguracija piezoelektrinih akcelerometra ima jednostavnu strukturu i visoku
krutost. Postoje tri vrste pritisni struktura: uspravna, izokrenuta i izolirana. Uspravna struktura
sadri kristal izmeu seizmike mase i krute baze. Vijkom se osigurava spoj baze i osjetnog
elementa. Kad se senzor ubrzava, seizmika masa poveava ili smanjuje iznos sile na kristalu, a
time se proporcionalno mijenja i elektrini izlazni signal. to je vea masa, vee je naprezanje, a
time i izlaz. Ova struktura je robusna, pa ima visoku otpornost na udare. Meutim, zbog bliskog
kontakta kristala i baze, vrlo je osjetljiva na naprezanje baze i temperaturno je osjetljiva.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
8/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
8
Slika 2.4: Uspravna struktura
Kod izokrenute pritisne strukture osjetni elementi su izolirani od baze, ime se smanjuju
naprezanja na savijanje baze i minimiziraju uticaji temperaturne nestabilnosti. Mnogi
akcelerometri koriste ovu vrstu strukture.
Slika 2.5: Izokrenuta struktura
Izolirana pritisna struktura smanjuje ogromne izlaze zbog naprezanja baze i toplotnih
prelazaka. To se postie fizikim izoliranjem osjetnih kristala od baze. Seizmike mase koje
djeluju kao toplotna izolacijska barijera. Ova mehanika poboljanja omoguuju stabilne
performanse na niskim frekvencijama, jer uticaj toplote moe rezultirati "klizanjem" signala kod
drugih pritisnih struktura.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
9/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
9
Slika 2.6: Izolirana struktura
2.2.2. Piezootporniki
Piezootporniki akcelerometar koristi piezo-otporniki supstrat, a sila koja djeluje na masu
mijenja otpor kojeg registruje Wheatstoneov most. U uporedbi s piezoelektrinim
akcelerometrima, ova vrsta moe mjeriti ubrzanje do 0 Hz. Izrazito je malih dimenzija, i ima malu
nelinearnost. Jeftini su i imaju dosta veliku irinu frekvencijskog raspona. Njima se mogu mjeriti
vrlo visoke frekvencije (> 30 KHz). Osim toga za njihov rad potrebna je samo jednostavna obrada
podataka.
Nedostaci su velika osjetljivost na temperaturu, manji dinamiki opseg, vea osjetljivost
na udare i potreba za preciznim izvorom napajanja.
Slika 2.7: Shema piezootpornikog akcelerometra
-
8/13/2019 Seminarski senzori
10/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
10
2.2.3. Kapacitivni
Masa koja je na dva kraja spojena sa membranama ili sa oprugama, pokree se zavisnoo
akceleraciji. Jedna elektroda kondenzatora spojena je na tu masu dok je druga fiksirana.
Mjerenje pomaka seizmike mase kapacitivno samo po sebi ima prednosti pred
piezootpornikim principom. Ono daje veliki izlazni signal, dobar stacionarni odziv i bolju
osjetljivost zbog niskog uma. Glavni nedostatak je osjetljivost kapacitivnih senzora na
elektromagnetna polja iz njihove okoline pa ih zbog toga treba odgovarajue zatiti.
Takoer neizbjean je pad kvaliteta signala zbog parazitskih kapaciteta na ulazu u
diferencijalno pojaalo. Obino se detektuje diferencijalna promjena u kapacitetu. Kako se
seizmika masa odmie od elektrode, smanjuje se kapacitet, kad se primie elektrodi, kapacitet se
poveava. Ako se zanemare rubni efekti polja, promjena kapaciteta je danajednainom:
(2.1)
a proporcionalna je otklonu kojeg uzrokuje ulazna akceleracija samo ako je zadovoljena
pretpostavka malog otklona. Za precizne akcelerometre ova pretpostavka moda nije opravdana,
pa se prema tome da bi se otklon seizmike mase odrao malim moe koristiti upravljaka petlja.
Rezultantni pomak mase se mjeri pomou diferencijalnog kondenzatora koje je konstruisan
na nain da je jedan skup elektroda nepomian a drugi se moe slobodno pomicati. Pri tome su
pokretne elektrode privrene na pominu masu. Na nepomine elektrode se dovode pravougaoni
signali s faznim pomakom od 1800.
Iznos pomaka pomine mase pod djelovanjem akceleracije uzrokuje nestabilnost
diferencijalnog kondenzatora to za posljedicu ima pravougaoni izlazni signal ija amplituda jeproporcionalna izmjerenoj akceleraciji.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
11/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
11
Slika 2.8: Kapacitivni akcelerometar
Mjerenjem rezultantnog faznog pomaka moe se odrediti smjer akceleracije. Opisani
postupak rada se primjenjuje za mjerenje akceleracije samo u jednom smjeru du osjetljive ose.
Raniji tipovi kapacitivnih senzora su obino bili izraivani u velikim koliinama i radili su
se spajanjem nekoliko ploica koristei tehnike zdruivanja. Veina naprava je imala osjetljivosti
okomito na ravninu ploice, sa krajnjim ploama na gornjoj i donjoj strani, koji su osim pruanja
priguenja sluili i kao elektrode za odreivanje kapaciteta.
Glavne prednosti kapacitivnih akcelerometra su visoka rezolucija i osjetljivost, jednostavni
mehaniki detektor, velika mogunost minijaturizacije, tehnoloka robusnost te dosta visoka irina
pojasnog raspona.
Nedostaci su niska linearnost i velika osjetljivost na temperaturu, zbog ega je potrebna
znatna temperaturna kompenzacija.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
12/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
12
2.2.4. Servo akcelerometri s regulisanim pomakom
Karakteristike senzora zavise o tome radi li on u otvorenoj petlji ili u zatvorenoj petlji. Kod
servo akcelerometra inercijalna sila koja djeluje na seizmiku masu i uzrokuje njen pomak je
kompenzovana jednakom suprotnom silom koju daje elektromehaniki sistem. Struja koja pokree
sistem kompenzacije je proporcionalna mijerenoj sili.
Tanije inercijska akcija na seizmiku masu u poetku uzrokuje jako mali pomak koji se
preko motora kompenzuje im poremeaj pone. Pojaanje sa povratne veze je takvo da je pomak
seizmike mase jako mal, ime se smanjuje greka uslijed varijacije poloaja kao na primjer
histereze.
Postoji mnogo varijanti ovakvih senzora. Detektor poloaja moe biti optiki, kapacitivni
ili induktivni senzor. Na isti nain aktuatorski sistem moe biti ili elektrostatiki ili sa
permanentnim magnetom. Regulacija moe biti analogna ili digitalna.
Glavna prednost je odlina preciznost koja je uoptenomnogo puta bolja nego kod senzora
koji nemaju servo regulaciju. irina frekvencijskog raspona im je od DC do nekoliko stotina Hz.
Prag detekcije im je manji od 10-5 ms-2.
Nedostatak im je osjetljivost na udare, visoka cijena, potreba za znatnom obradom
podataka i relativno uska irina frekvencijskog raspona.
Kod rada u otvorenoj petlji performanse su zadovoljavajue za uoptenu namjene i za
automobilsku primjenu, dok u sluaju korienja rada u zatvorenoj petlji rezolucija dostie
vrijednosti ispod jednog mikro g-a to ih ini prikladnima za inercijalnu navigaciju i navoenje.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
13/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
13
Slika 2.9: Akcelerometar sa regulacijom momenta
2.2.5. Optiki
Za razvoj optikih senzora potreban je spoj raznih grana znanja i tehnologija kao to su
mikroelektronika, radioelektronika, optika vlakna itd. Pomak seizmike mase uslijed djelovanja
inercijske sile uzrokuje razne koeficijente odailjanja svjetlosti proizvedene laserskom diodom i
prenoene optikim vlaknom. Veliinaproputenog svijetla mjeri se fotodetektorom i pretvara u
napon ili struju. Cijeli optiki koncept koristei optika vlakna za prijenos svijetla elektriki je
pasivan, dok je izlaz senzora frekventno nezavisan prijenosnik. Korienjemmetalnih ogledala
umjesto mikrorezonatora materijal nudi nove mogunosti u oitavanju vanjskih sila kroz promjene
magnetskog polja.
Materijali mikrorezonatora mogu biti: legura bora i silicija, silicijum dioksid, silicijum
nitrid, metalna ogledala. Trenutno najvie koriteni mikrorezonator je silicijski mikro most spojen
na obe strane. Silicijski mikrorezonatri mogu biti spojeni direktno na kraj optikog vlakna
dovodei jeftin ekscentrini senzor sposoban za precizna mjerenja temeljena na frekvencijskom
oitanju.
Znaajke i ogranienja ovih akcelerometra: Premda su elektrino pasivni
mikrorezonirajui senzori mogu raditi u podrujima snanih elektromagnetskih smetnji.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
14/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
14
Korienje frekvencije kod izlaznog parametra ima dvije glavne prednosti: mogu se
prenositi na velike udaljenosti bez grekei drugo mogu se lako digitalizirati koristei frekvencijski
broja.
Slika 2.10: Optiki akcelerometar
Prednosti optikih senzora su mala teina, neosjetljivost na udare, mala mehanika
histereza, elektrina pasivnost i frekvencijsko kodiranje izlaznog signala.
Nedostaci su kompleksna i skupa povezivanja podataka za obradu, velika temperaturna
osjetljivost i prosjene performanse.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
15/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
15
3.IROSKOP
3.1. Uopteno
Uopteno iroskop je ureaj koji slui za mjerenje ugaonebrzine tijela vezanog za njega.
Tradicionalno mehaniki iroskopi se zasnivaju na inerciji rotacije krutog tijela, no razvijeni su i
vibracijski i optiki iroskopi. Ti iroskopi se zasnivaju na razliitim fizikalnim principima i
znaajno se razlikuju po veliini, masi, tanosti i cijeni. Svaki tip ima svoje prednosti i nedostatke
i svaki se koristi u razliite svrhe.
iroskop slui kao vaan orijentacijski senzor posebno tamo gdje ne postoji geomagnetsko
polje (u svemiru) ili je jako izoblieno zbog uticaja lokalnih magnetskih polja.
Premda se koristi za navoenje projektila, kontinentalnih balistikih raketa, brodova,
aviona, on je tokom istorije bio vana strateka tehnologija. Upravo to je doprinijelo njegovom
brzom razvoju i dananjim visokim performansama.
Slika 3.1: Primjena iroskopa za navoenje projektila
-
8/13/2019 Seminarski senzori
16/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
16
iroskopi se najee primjenjuju u automatskim pilotima na plovilima i avionima, u
sistemima za navoenje autonomnih vozila, letjelica, projektila, u sistemima upravljanja
svemirskim letjelicama, te u mobilnoj robotici.
Glavni parametri koji odreuju odabir tipa iroskopa su trajanje misije, potrebnapreciznost, te dinamika mijerenog sistema (o / s). Prema tome glavne mjere performansi iroskopa
su osjetljivost, rezolucija i stabilnost. Osnovna podjela iroskopa je na mehanike, optike i
vibracijske. U daljem tekstu objasniti e se principi rada prve grupe.
3.2. Mehaniki iroskopi
Mehaniki iroskopi rade na principu ouvanja ugaonogmomenta tijela koji kae da je ugaona
koliina kretanja bilo koje estice sistemas obzirom na neku fiksnu taku u prostoru konstantna,
ako na sistem ne djeluju vanjske sile.
Slika 3.2: Rotirajui disk postavljen u troosni kardanski sistem
-
8/13/2019 Seminarski senzori
17/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
17
Ako se na rotirajui disk primjeni vanjski moment njegova orijentacija e se promijeni
mnogo manje nego na mirujui disk. Kad se takav disk spoji na posebni nosa (kuite iroskopa)
njegova orijentacija ostaje gotovo ne promijenjena neovisno o kretanju platforme na koju je
postavljen. Osnovna jednaina koja odreuje ponaanje iroskopa je:
(3.1)
Gdje je vektor moment i L ugaona koliina kretanja, I je moment inercija, a je njegova ugaona
brzina, i vektor je ugaona akceleracija.
Iz toga slijedi da ako se moment primjeni okomito na osu rotacije, i prema tome okomito
na L, rezultat je rotacija oko ose okomite na i L. To kretanje se naziva precesija. Ugaona brzina
precesije pje:
= p L. (3.2)
Mehaniki iroskop se sastoji od diska velike brzine rotacije koji je postavljen u kardanski
ovjes sa tri stepena slobode kretanja. Osa rotacije rotirajueg iroskopa u bilo kojem poloaju
prilikom kretanja uvijek e nastojati biti paralelna sama sa sobom (odrati svoj smjer), uz mala
odstupanja koja uzrokuje trenje u leajevima ovjesa.
Slika 3.3: Rotacijski iroskop koriten kao autopilot na avionima (1950.)
-
8/13/2019 Seminarski senzori
18/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
18
Mehaniki iroskopi su konstruisani kao prstenasti elektromotori (ili vazduneturbine kod
aviona) kod kojih je masa rotora rasporeena po obodu prstena. Brzine rotacije preciznih iroskopa
doseu i do 20 000 okretaja po minuti. Zbog visokih zahtjeva na tanost izvedbe mehanikih
iroskopa, posebno teflonskih (ili vazdunih) leajeva motora i potrebe za korienjem visoko
kvalitetnih materijala, oni su vrlo skupi.
Nedostatak mehanikih senzora je to zbog masa koje se rotiraju na velikim brzinama oni
koriste puno struje. Takoer oni su zbog leajeva skloni troenju. Osim toga iroskop svojim
djelovanjem moe uticati na sam sistemu kojem je primijenjen.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
19/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
19
4.ZAKLJUAKU sklopu ovog seminarskog rada objanjeni su samo najosnovniji ili bolje reeno najkorieniji
senzori ubrzanja i orjentacije (akcelerometri i iroskop). Ostali senzori orjentacije koji su
izostavljeni kao na primjer optike,vibracijske i sl. gdje otvaraju sasvim nova podruja i smjerove
u kojima se razvija industrija senzora.
-
8/13/2019 Seminarski senzori
20/20
Aktuatori i senzori Zavrni rad
20
LITERATURA
[1]http://www.analog.com28.01.2014.
[2]http://www.pcb.com.28.01.2014.
[3] P.Ripka and A.Tipek. Modern Sensors Handbook. ISTE, 2007.
[4] S.Beeby, G.Ensell, M.Kraft, and N.White. MEMS Mechanical Sensors. Artech House,
2004.
http://www.analog.com/http://www.analog.com/http://www.analog.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.analog.com/