sensorhefte - tid.uio.notid.uio.no/kurs/fys2280/manuals_2006/sensorhefte.doc · web viewfigur 5...

SENSORHEFTE

Innledning

I det følgende dokument vil dere finne det aller meste av dokumentasjonen dere vil trenge for design, konstruksjon, test og validering av et utvalg sensorer til en rakett- eller ballong-nyttelast. For samtlige sensorer vises det bare utdrag fra databladet, men for å få full forståelse av sensorens virkemåte, karakteristikker og begrensinger burde databladet leses i sin helhet. Sensorheftet vil for det meste konsentrere seg om sensorer for metrologiske målinger, men det vil også inneholde eksempler på sensorer som måler andre fysiske parametere. Felles for alle sensorene er at de er analoge, designet i standardiserte kortstørrelser (31x50 mm) og passende til enkoder-grensesnittet til en Studentrakettnyttelast. Enkoderens analoge og digitale innganger takler spenningsverdier fra 0 V til 5 V. Heftet tar ikke for seg mottak, prosessering, dekoding og visualisering av signalene fra nyttelasten. For nærmere informasjon om dette henvises det til veileder.

Det må også nevnes at det i dag finnes en mengde forskjellige sensorer innenfor hver gruppe med ulik grad av kalibrering, forsterkning, linearisering, temperaturkompensering osv. Derfor er heller ikke de løsningene som presenteres her nødvendigvis de beste, men heller eksempler på hvordan ulike typer sensorer kan bygges. Lykke til med sensorbyggingen!

Amund Nylund , Kjetil Henninen and Frank R. Pettersen of 42Last update: 15.10.2006

Innledning..................................................................................................................................1

1 Temperatursensor..............................................................................................................41.1 Om temperatursensoren LM35DZ......................................................................................4

1.2 Forsterkningskrets................................................................................................................6

1.3 Kretsskjema...........................................................................................................................7

1.4 PCB utlegg.............................................................................................................................8

1.5 Komponentliste......................................................................................................................9

2 Trykksensor......................................................................................................................102.1 Om trykksensoren MPX5100A..........................................................................................10

2.2 Kretsskjema.........................................................................................................................12

2.3 PCB utlegg...........................................................................................................................13

2.4 Komponentliste....................................................................................................................13

3 Magnetfeltsensor..............................................................................................................153.1 Om magnetfeltsensoren KMZ10A.....................................................................................15

3.2 Forsterkningskrets..............................................................................................................16

3.3 Kretsskjema.........................................................................................................................16

3.4 PCB utlegg...........................................................................................................................17

3.5 Komponentliste....................................................................................................................18

4 Lyssensor - Fototransistor...............................................................................................194.1 Om fototransistoren BPX 43..............................................................................................19

4.2 Forsterkningskrets..............................................................................................................20

4.3 Kretsskjema.........................................................................................................................20

4.4 PCB utlegg...........................................................................................................................21

4.5 Komponentliste....................................................................................................................22

5 Aksellerometer Z-akse......................................................................................................235.1 Om aksellerometeret ADXL150.........................................................................................23

5.2 Kretsskjema.........................................................................................................................25

5.3 PCB utlegg...........................................................................................................................25

5.4 Komponentliste....................................................................................................................25

6 Aksellerometer X- og Y-akse............................................................................................276.1 Om aksellerometeret ADXL202AE...................................................................................27

6.2 Kretsskjema.........................................................................................................................29

6.3 PCB utlegg...........................................................................................................................30

6.4 Komponentliste....................................................................................................................30

7 Strain Gages.....................................................................................................................317.1 About strain gages...............................................................................................................31


7.2 Measuring Circuits..............................................................................................................32

7.3 How to assemble the strain gages (in Norwegian)............................................................33

7.4 Circuit, PCB printout and part list....................................................................................35

7.5 Part list.................................................................................................................................36

8 Telemetry format and Experimenters room setup..........................................................378.1 The student rocket PCM format........................................................................................37

8.2 Format set up on Eidel (EE315-DOS version and EE350-Windows version)...............38

8.3 Equations for sensor readings...............................................................................................40


1 Temperatursensor

1.1 Om temperatursensoren LM35DZTemperatursensoren LM35DZ fra National Instruments er en populær sensor for temperaturmålinger av mange grunner. De viktigste er at LM35-serien er:

1 Billige2 Kalibrerte i Celsius3 Relativt robuste4 Enkel, dvs. trenger lite støtteelektronikk5 Stort spenn i forsyningsspenning, anvendelig

Figur 1 Figur 2

Figurene over viser typiske oppkoplinger for LM35-serien. Figur 1 viser basis oppkopling for temperaturområdet +2 °C til +150 °C, mens Figur 2 viser oppkoplingen for full skala temperaturmålinger i området – 55 °C til +150 °C.

Figur 3 viser TO-92 pinnefordelingen på sensoren som vi skal bygge i vårt eksempel. OBS! Sett fra undersiden. (”Bottom View”)

Figur 3


Figur 4 viser absoluttverdier hentet fra databladet.

Figur 4

Figur 5 viser elektriske parametere for LM35, utdrag fra databladet.


Figur 5

1.2 ForsterkningskretsFor å benytte hele spenningsskalaen på utgangen av kortet ønsker vi å forsterke opp signalet.


Vi vet at sensoren gir ut spenning som typisk er 10 mV/°C, og at maksimum temperatur sensoren fungerer på er 100 °C. Altså dersom vi ikke forsterket signalet ville vi fått 1 V på utgangen. Dette er unødvendig når vi har et spenn på fra 0-5 V. Altså ønsker vi å forsterke signalet opp ca. 5 ganger. For denne sensoren har vi derfor valgt å benytte oss av en såkalt ikke-inverterende forsterker støttekrets. Forsterkerkoplingen lages av to motstander og en operasjonsforsterker, se kretsen i Figur 6. Forsterkningen i denne oppkoblingen er gitt ved formelen:

Figur 6

1.3 KretsskjemaHele sensoren er bygd opp slik at den har 2 temperatursensorer LM35DZ, der den ene (TEMP1) er loddet fast på kortet og den andre (TEMP_EXT) er kan plasseres hvor som helst ellers. TEMP_EXT er koplet tilbake til kortet via konnektoren P3, forsterket og sendt videre til enkoderen gjennom konnektoren P2. Kretsskjemaet er i sin helhet vist i Figur 7.

NB! Som nevnt over bestemmer verdiene på motstandene forsterkningen. Vi har i vårt eksempel og holde en fast forsterkning som utnytter hele skalaen til sensoren. Dette kan selvsagt endres dersom det er behov for det. Ved å velge en høyere Rf kan man utnytte en mindre del av skalaen til sensoren og omvendt.


Figur 7

1.4 PCB utleggFigur 8 viser PCB utlegget av temperatursensorene. Mesteparten av undersiden på sensorkortet er tilegnet et jordplan, tegnet med rødt. Oversiden er tegnet med gult/grønt. Merk at kondensatoren C1 skal være på jordplansiden. Husk også å sette operasjonsforsterkeren riktig vei.


Figur 8

1.5 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :Temp_newestDATE :02/08/06 Bill of Materials Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 1 LM35DZ TEMPERATURE SENSOR, 0-100 KELVIN TEMP1________________________________________________________________________________ 3 MICRONECTOR-4x1 4-pins Micronector plug P1_TEMP1 P2_TEMP_EXT P3_TEMP_EXT________________________________________________________________________________ 1 OP296 OPERATIONAL AMPLIFIER OP1________________________________________________________________________________ 1 C1U10805 0.1µF CAPACITOR C1________________________________________________________________________________ 2 R.SMD.0805 1k RESISTOR R2 R3________________________________________________________________________________ 2 R.SMD.0805 3.9k RESISTOR R1 R4________________________________________________________________________________


2 Trykksensor

2.1 Om trykksensoren MPX5100ATrykksensoren vi har valgt ut er nok blant de beste på markedet i sin klasse. Det er Motorolas MPX5100AP og den kommer ferdig kalibrert og temperaturkompensert. Trykkelementet er en piezoresistiv transduser. Dette vil si at mye av støtteelektronikken ligger i chipen. Dermed blir dette en enkel sensor og realisere. Figur 9 viser karakteristikken for sensorene i MPX5100 serien. Vår sensor er MPX5100A, og som vi ser fra figuren vil denne sensoren operere i trykkområdet 15-115 kPa (150-1150 mbar).

Figur 9

Figur 10 viser et utdrag fra databladet. Selve sensoren har 6 pinner, der bare 3 av dem brukes til henholdsvis utgangsspenning (Vout), Jord (Gnd) og forsyningsspenning (VS). Merk hvordan man finner pinne 1 på sensoren.


Figur 10

Sensoren er også ferdigkalibrert slik at utgangsspenningen blir en verdi mellom 0,2 og 4,7 Volt gitt av overføringsfunksjonen gitt i Figur 11. Denne Overføringsfunksjonen viser også hvor mye feilen blir som følge av temperatur eller forsyningsspenningsavvik fra 5 V. For ytterligere informasjon om sensorens karakteristikker henvises det til databladet i sin helhet.


Figur 11

2.2 KretsskjemaSom dere ser fra Figur 12 blir dette en veldig enkel krets. De eneste ekstra komponentene som trengs er 2 avkoblingskondensatorer, C1 og C2. Disse har til hensikt å hindre/redusere fluktasjoner i inn- og utgangsspenninger.


Figur 12

2.3 PCB utleggFigur 13 viser bilde av PCB utlegget for trykksensoren. Merk at sensoren og komponentene er plassert langt ute mot kanten av kortet. Dette er fordi sensoren er så stor at den vanligvis må skrus fast i sensorkortet gjennom skruehull i sensoren.

Figur 13

2.4 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :PressuresensorDATE :02/12/06 Bill of Materials


Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 1 0.01µ CAPACITOR C2________________________________________________________________________________ 1 1µ CAPACITOR C1________________________________________________________________________________ 1 CONN4 CONNECTORS 4-PIN P1________________________________________________________________________________ 1 MPX5100 Motorola MPX5100 Pressure Sensor S1________________________________________________________________________________


3 Magnetfeltsensor

3.1 Om magnetfeltsensoren KMZ10ASensoren er en meget sensitiv magnetfeltssensor fra Phillips, KMZ10A. Sensorelementet baserer seg på den magnetoresistive effekt, der motstandene er koblet opp i en Wheatstone bro. Figur 14 viser et utdrag fra databladet om hvordan sensoren er bygd opp og noen av dens karakteristikker.

Figur 14

Denne sensoren er meget sensitiv, og har vist seg å være vanskelig å kalibrere for nøyaktige magnetfeltsmålinger. I vårt tilfelle har vi konsentrert oss om å kalibrere den for målinger av spinn. Dette gjøres ved å montere inn potmeter i stedet for to av motstandene i forsterkningskretsen, slik at forsterkningen kan justeres opp og ned.


3.2 ForsterkningskretsTil denne sensoren, og for så vidt alle sensorer som bruker Wheatstone målebroer, er det bedre å bruke en forsterkeroppkobling som kalles instrumentforsterker. Instrumentforsterkere brukes når det er behov for høy inngangsimpedans og bedre forsterkning. Oppkoblingen er vist i Figur 15.

Figur 15

Forsterkningen til en slik oppkobling vil være gitt ved:

3.3 KretsskjemaFigur 16 viser kretsskjemaet for magnetfeltsensoren. Selve sensoren er 4-pinne komponenten til venstre på bildet. Den fjerde operasjonsforsterkeren som ikke er tilkoplet har ikke noe med kretsen å gjøre, men er med på bildet fordi vi bruker en IC som har 4 operasjonsforsterkere i èn og samme komponent. Merk også at vi har satt inn to variable motstander (potmeter) for å kunne justere forsterkningen. Når disse potmeterene er innstilt på maks gir kretsen en forsterkning på 150.

NB! Før man kommer på laben er det alltid lurt å sette seg inn i hvor mye som er maksimal forsterkning, og hvordan man justerer forsterkningen. Fra databladet ser vi at sensorens maksimale utslag er 1 kA/m (± 0,5 kA/m), som vil utgjøre et spenningsutslag på 16 mV (± 8 mV). Konverterer vi magnetfeltstyrkens enheter til mT, blir maks utslag 1,25 mT (± 0,625 mT). Når vi da tenker på at typisk magnetfeltutslag i vertikalkomponenten på bakken er 51,8 µT, ser vi at dette utslaget på sensoren i positiv (eller negativ) retning vil utgjøre under 1/10 av maksimal spenningsutslag på sensoren (~ 0,8 mV). Dette vil si at en forsterkning på over 1000 er nødvendig for å få tydelig utslag på sensoren. Sensoren er svært følsom, og ofte må man teste sensoren grundig før man finner rette innstillingene på potmeterene.


Figur 16

3.4 PCB utlegg

Figur 17


3.5 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :MagneticfieldsensorDATE :02/13/06 Bill of Materials Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 1 R1 0-1k RESISTOR TRIMMER________________________________________________________________________________ 2 C1 C2 100n CAPACITOR________________________________________________________________________________ 4 R4 R5 R6 R7 1k RESISTOR________________________________________________________________________________ 2 R3 R2 50k RESISTOR________________________________________________________________________________ 1 P1 CONN4 CONNECTORS 4-PIN________________________________________________________________________________ 1 S1 MagFS Mag ________________________________________________________________________________ 1 U2OP496 OP496 4 opamper SO


4 Lyssensor - Fototransistor

4.1 Om fototransistoren BPX 43En lyssensor i vårt tilfelle vil være en sensor som måler intensiteten på lyset. Den skal ikke gi noe informasjon om spektraltettheten eller liknende, bare om det er mørkt, lyst og når sola står rett på den. I en studentrakett brukes sensoren til å støtte opp om magnetfeltsensorens målinger av rakettens spinn, men sensoren kan også brukes i mange andre tilfeller, som for eksempel som en nattbryter. Vi har valgt ut fototransistoren BPX 43 fra Osram. Dette er et helt vilkårlig valg, da det finnes utallige typer fototransistorer og fotodioder på markedet. Figur 18, 19 og 20 viser noen av karakteristikkene til fototransistoren.

Figur 18


Figur 19

Figur 20

4.2 ForsterkningskretsForsterkningskretsen vi bruker her er den samme som for temperatursensoren, altså en ikke-inverterende forsterker. Forskjellen denne gang er at vi har byttet ut den ene faste tilbakekoplingsmotstanden med et potensiometer for å kunne regulere forsterkningen. Det andre potensiometeret gir oss et standard felles-kollektor transistor oppsett.

4.3 KretsskjemaKretsskjemaet er vist i Figur 21. Kretsen er designet slik at den kan takle 2 fototransistorer, og derfor har vi 2 ikke-inverterende forsterkere og 2 utgangsporter. Som det også framgår av


kretsskjemaet bruker vi bare kollektor- (C) og emitter (E) pinnene, og lar lyset styre basen (B).

Figur 22

4.4 PCB utlegg

Figur 23


4.5 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :Ptv2-newboardDATE :02/20/06 Bill of Materials Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 2 10k RESISTOR TRIMMER R1 R4________________________________________________________________________________ 2 1k RESISTOR R5 R6________________________________________________________________________________ 2 1k RESISTOR TRIMMER R2 R3________________________________________________________________________________ 1 CONN4 CONNECTORS 4-PIN PhotoTransistors________________________________________________________________________________ 1 LM392.DIP AMPLIFIER IC1________________________________________________________________________________ 2 MICRONECTOR-4x1 4-pins Micronector plug P1 P2________________________________________________________________________________


5 Aksellerometer Z-akse

5.1 Om aksellerometeret ADXL150Aksellerometeret vi har valgt ut er en 1-akse type som kommer fra Analog Devices og heter ADXL150. Man får også kjøpt 2-akse versjon som vises på samme datablad. Dessverre er dette bare midlertidig siden enhetene inneholder bly, og blir tatt av markedet etter juni 2006. Aksellerometeret er i klassen ”medium g” etter dets måleområde som er i området +/- 50 g. Aksellerometeret har mange fordeler som gjør det både enkelt og anvendelig å bruke. Noen av karakteristikkene og oversiktsfigurer finner du i Figur 24 og 25. For full forståelse av aksellerometerets virkemåte og karakteristikker, må databladet leses i sin helhet. Viktig å merke seg er at aksellerometeret er ferdig kalibrert til å ligge rundt halvparten av forsyningsspenningen (5 V), og ha utslag mot 5 V og mot 0 V, for henholdsvis +50 g og -50 g. Dette gjør at vi ikke trenger noen støtteelektronikk annet enn en avkoplingskondensator.

Figur 24


Figur 25


5.2 Kretsskjema

Figur 26

5.3 PCB utlegg

Figur 27

5.4 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :Accelerometer-1axisDATE :02/20/06 Bill of Materials


Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 1 ADXL150 ACCELEROMETER - ADXL150 ADXL150________________________________________________________________________________ 1 MICRONECTOR-4x1 4-pins Micronector plug P1________________________________________________________________________________ 1 C1U10805 0.1µF CAPACITOR C1________________________________________________________________________________


6 Aksellerometer X- og Y-akse

6.1 Om aksellerometeret ADXL202AEDette aksellerometeret er en annen type fra Analog Devices, og er veldig lik aksellerometerene ADXL150/250. ADXL202 er et 2-akse aksellerometer som både kan brukes i analoge og digitale sensorer. Vi vil i dette heftet kun fokusere på det analoge bruksområdet. ADXL202AE er i klassen ”low g”, og dets måleområde som er +/- 2 g. Noen av karakteristikkene og oversiktsfigurer finner du i figurene under. For full forståelse av aksellerometerets virkemåte og karakteristikker, må databladet leses i sin helhet.

Når vi skal bruke analog-utgangene brukes XFILT og YFILT utgangene på ADXL202. Disse utgangen har bare 32 kΩ impedans og er ikke beregnet og drive noen last. Derfor må vi kople inn en opamp-spenningsfølger. Dette vil øke impedansen betraktelig. Kretsskjemaet for en spenningsfølger er vist i figur. I tillegg er vi nødt til å ha en 0,1 µF avkoplingskondensator på hver av utgangene for filtrering.

Figur 28


Figur 29


Figur 30

6.2 Kretsskjema

Figur 31


6.3 PCB utlegg

Figur 32

6.4 KomponentlisteCADint free CADint PCB PAGE: 1JOB :Accelerometer-2-axisDATE :06/11/06 Bill of Materials Qty PartNumber Value Description ________________________________________________________________________________ 1 IC8.LCC 8-Lead LCC ADXL202AE________________________________________________________________________________ 1 IC8.SO Ytmont. SO8 OPAMP________________________________________________________________________________ 2 MICRONECTOR-4x1 4-pins Micronector plug Acc-X Acc-Y________________________________________________________________________________ 3 C1U10805 0.1µF CAPACITOR C1 C2 C3________________________________________________________________________________


7 Strain Gages

7.1 About strain gagesWhen external forces are applied to a stationary object, stress and strain are the result. Stress is defined as the object's internal resisting forces, and strain is defined as the displacement and deformation that occur. For a uniform distribution of internal resisting forces, stress can be calculated by dividing the force (F) applied by the unit area (A):

Strain is defined as the amount of deformation per unit length of an object when a load is applied. Strain is calculated by dividing the total deformation of the original length by the original length (L):

Typical values for strain are less than 0.1 mm/mm and are often expressed in micro-strain units:

Fundamentally, all strain gages are designed to convert mechanical motion into an electronic signal. A change in capacitance, inductance, or resistance is proportional to the strain experienced by the sensor. If a wire is held under tension, it gets slightly longer and its cross-sectional area is reduced. This changes its resistance (R) in proportion to the strain sensitivity (S) of the wire's resistance. When a strain is introduced, the strain sensitivity, which is also called the gage factor (GF), is given by:

The ideal strain gage would change resistance only due to the deformations of the surface to which the sensor is attached. However, in real applications, temperature, material properties, the adhesive that bonds the gage to the surface, and the stability of the metal all affect the detected resistance. Because most materials do not have the same properties in all directions, knowledge of the axial strain alone is insufficient for a complete analysis. Poisson, bending, and torsional strains also need to be measured. Each requires a different strain gage arrangement.

In our Circuit we are looking at the measurement and are assuming all the other forces equal to zero. In figure 1a and 1b you may see the kind of straing gages we are using.


Figure 1a: Bonded Resistance Strain Gage Construction

Figure 1b:Typical metal-foil strain gages.

7.2 Measuring CircuitsIn order to measure strain with a bonded resistance strain gage, it must be connected to an electric circuit that is capable of measuring the minute changes in resistance corresponding to strain. Strain gage transducers usually employ four strain gage elements electrically connected to form a Wheatstone bridge circuit (Figure 2).

The Wheatstone BridgeA Wheatstone bridge is a divided bridge circuit used for the measurement of static or dynamic electrical resistance. The output voltage of the Wheatstone bridge is expressed in millivolts output per volt input. The Wheatstone circuit is also well suited for temperature compensation.

Figure 2: Wheatstone Bridge Circuit Schematic

In Figure 2-6, if R1, R2, R3, and R4 are equal, and a voltage, VIN, is applied between points A and C, then the output between points B and D will show no potential difference. However, if R4 is changed to some value which does not equal R1, R2, and R3, the bridge will become unbalanced and a voltage will exist at the output terminals. In a so-called G-bridge configuration, the variable strain sensor has resistance Rg, while the other arms are fixed value resistors.

The sensor, however, can occupy one, two, or four arms of the bridge, depending on the


application. The total strain, or output voltage of the circuit (VOUT) is equivalent to the difference between the voltage drop across R1 and R4, or Rg. This can also be written as:

For more detail, see Figure 2-6. The bridge is considered balanced when R1/R2 = Rg/R3 and, therefore, VOUT equals zero.Any small change in the resistance of the sensing grid will throw the bridge out of balance, making it suitable for the detection of strain. When the bridge is set up so that Rg is the only active strain gage, a small change in Rg will result in an output voltage from the bridge. If the gage factor is GF, the strain measurement is related to the change in Rg as follows:

The number of active strain gages that should be connected to the bridge depends on the application. For example, it may be useful to connect gages that are on opposite sides of a beam, one in compression and the other in tension. In this arrangement, one can effectively double the bridge output for the same strain. In installations where all of the arms are connected to strain gages, temperature compensation is automatic, as resistance change due to temperature variations will be the same for all arms of the bridge.

In a four-element Wheatstone bridge, usually two gages are wired in compression and two in tension. For example, if R1 and R3 are in tension (positive) and R2 and R4 are in compression (negative), then the output will be proportional to the sum of all the strains measured separately. For gages located on adjacent legs, the bridge becomes unbalanced in proportion to the difference in strain. For gages on opposite legs, the bridge balances in proportion to the sum of the strains. Whether bending strain, axial strain, shear strain, or torsional strain is being measured, the strain gage arrangement will determine the relationship between the output and the type of strain being measured. As shown in Figure 2-6, if a positive tensile strain occurs on gages R2 and R3, and a negative strain is experienced by gages R1 and R4, the total output, VOUT, would be four times the resistance of a single gage.

7.3 How to assemble the strain gages (in Norwegian)

Preparering av overflate i nyttelaststrukturen

1. Grovrengjøring. Eventuelt oksidasjonsbelegg fjernes.

2. Fjerning av større ujevnheter. Utstikkende materiale, riper og lignende fejernes ved hjelp av smergelpapir og/eller fil.

3. Avfetting. Bruk rensemidlet RMS 1 til å rengjøre med. Spesielle Cellulosepads brukes i denne operasjonen. Start med et større område enn det som skal benyttes av strekklappen. For hver nye pad du bruker skal du starte godt innenfor yttergrensene av det forrige området du rengjorde. På denne måten unngår du å dra med partikler og fett fra området utenfor.


4. Ordne bedre feste for limet (Z70). Hvis overflaten er for glatt oppnås ikke maksimal tøybarhet i limet. Dette har liten betydning for oss, da nyttelaststrukturen sannsynligvis ikke vil strekke seg spesielt mye i noen retning.

5. Finrengjøring. Hvis punkt 4 er utført, gjenta punkt 3.

Strekklappene skal ALDRI rengjøres da det kan påvirke materialet.

Feste av strekklapp til underlaget

Grunnet Z70 limet sin korte reaksjonstid vil det ikke være mulig å justere på strekklappen når herdingsprosessen har startet. Derfor skal følgende metode benyttes for festing og retningsinnstilling:

1. Forleng strekklappen med en liten bit teflontape. Denne skal på øvre halvdel av strekklappen (ikke over loddepunktene).Noe tape skal stikke utenfor strekklappen.

2. Legg strekklappen på det rengjorte området, juster retningen så nøyaktig som mulig, fest så strekklappen til underlaget med den utstikkende tapen. Du skal nå ha fått en hengselfunksjon.

3. Klipp en bit av teflonremsen. Denne skal brukes til å legge lim på aluminiumen. Brett strekklappen bakover slik at overflaten som skal limes blottlegges. Drypp en dråpe Z70 på området som skal limes. Bruk teflonbiten til å lage et uniformt lag med lim ved å stryke dråpen utover med ett strøk, uten å legge press på. Ved for mye press starter herdeprosessen i limet.

4. Brett strekklappen tilbake, slik at den legger seg på limet. Press strekklappen ned i limet med tommelen inntil den har festet seg. Dette kan ta 50-100 sekunder avhengig av temperatur og luftfuktighet.

5. Du kan nå fjerne tapen. Løsne den i den enden som er festet til strekklappen og trekk bakover så flatt som mulig. Dette for å unngå at du drar løs strekklappen.

6. Løsne ledningene fra strekklappen forsiktig fra limet.


7.4 Circuit, PCB printout and part list

Figure 3: The amplifier cicuit

Figure 4: Wheatstone bridge

The circuits in figure 3 and 4 are combined in one PCB and the result is seen in figure 5.


Figure 5: Wheatstone bridge

7.5 Part list

Qty Value Description1 100nF CAPACITOR

4 1kOhm RESISTOR

1 1kOhm RESISTOR TRIMMER

2 200kOhm RESISTOR

3 CONN4 CONNECTORS 4-PIN

1 OP496DIP OP496 4 opamper DIP


8 Telemetry format and Experimenters room setup

Patching from Main TM to the experimenters room are a part of the fixed setup at ARR. Signals may also be patched to the different experimenters desks through patch panel 1. The number of computers used in the Experimenters Room varies from campaign to campaign, and how many experiments that needs to be monitored.

Tasks: Make sure the Line Drivers and Word Selectors in the Main TM are switched on. Patch output signals (NRZ and CLK) from the different desks to the respectively

computers in the experimenters room.

8.1 The student rocket PCM formatTo visualize data from the rocket ARR uses the Eidel software and Visual Telemetry System (VTS). Before we can set up the computers we need to know the format is generated in the rocket payload PCM encoder. The format is shown in Table 1.

Bitrate 256 kbit/sPCM code BiPhase-Level (Biφ-L)Sync-word 16 bit, hex:EB90, bin:1110 1011 1001 0000Frame counter 16 bit (Word 02 is MSB, Word 03 is LSB)Words per Frame 14Frame per Format 1Analogue channels 8Analogue word length 8 bitDigital channels 2Digital word length 8 bit

Table 1

Data from the rocket are coded by the encoder in the rocket payload. This code is called Pulse Code Modulation (PCM). This code has to be decoded by the visualization software. The PCM code for the student rocket is Biφ-L. How this and another code called NRZ represent binary codes are shown in Figure 4.

Figure 4

Details of the different word allocation of the PCM format are shown in Table 2.


Word Allocation Data Comment

00 Frame Sync (EB)01 Frame Sync (90)02 Frame Counter MSB03 Frame Counter LSB04 Analogue Ch 0 Temperature PCB-card05 Analogue Ch 1 Temperature Nose06 Analogue Ch 2 Magnetometer Spin07 Analogue Ch 3 Pressure Sensor08 Analogue Ch 4 Accelerometer Z09 Analogue Ch 5 Accelerometer Y10 Analogue Ch 6 Photo Transistor11 Analogue Ch 7 Payload Battery Voltage12 Digital Ch 013 Digital Ch 1 First bit pulled

high at lift-offTable 2

8.2 Format set up on Eidel (EE315-DOS version and EE350-Windows version)

Some of the Eidel card at ARR comes with integrated Bit Synchronizer (Bit Sync) and some does not. Computers with integrated Bit Sync will have input signals directly from the combiner (or from the Biφ-L output from the Bit Sync). Eidel cards without Bit Sync will of course have input signals from an external Bit Sync. The computers in the Experimenters Room come with different versions of the Eidel software. The following chapter illustrates the process of Eidel setup in brief. For details about the Eidel software we refer to the manuals that you will find in the Experimenters Room.

Run the program and choose the “Format Setup”. Set the correct parameters according to Table 1. Figure 5 shows an example of the format setup in EE315. Do not use the parameters in the figure.


Figure 5

Choose the “Data Setup and Display” on EE315 or “Signal Setup” on EE350 to set the rest of the parameters in Table 2. Set up your displays in such way that the analogue channels first show its decimal value, and then the special scale value. (NB! In EE315 the special scale edit comes up if you push F9). The special scale value refers to the sensors voltage output level. This voltage has to be converted to a different value, e.g. bar, meter, g, tesla or gauss. To visualize the sensor output in a special scale you will need to put in some scaling formulas. Calculation of these formulas must be based on the bit resolution and sensor output. Thus, study the different sensor data sheets and try to figure out what the formula means. The different formulas and constants are listed in Table 3. Note that these formulas have to be calibrated when the payload and experimental group are finished with the sensors.

During the payload testing you will see if the Eidel computers are correct configured. Show the Experimental group how they can monitor their sensors during the campaign.


Sensor Formula Scale name

Notes Scale Min value

Scale Max value

Low limit

High limit

Constants

Temperature PCB

((A/e)*g)/f C (Celcius degrees)

f = 0.05 -10 120 0 100 A = word nre = 256f = see notesg = 5h = 44307.69396i = 38*10-3

j = 0.190284k = 130l = 3.2m = -0.48

1 n = 0.0045o = 5

Temperature Nose

((A/e)*g)/f C (Celcius degrees)

f = 0.05 -10 120 0 100

Magnetic Field

((A/e)*g)*o kA/m 2

Optional3 -10 10 -10 10

Pressure (((A/e)*g)-m)/n

mbar (millibars)

Optional4 0 1100 0 1015

Acceleration Z

(((A-k)/e)*g)/i

g (m/s2) -60 60 -50 50

Acceleration Y

((A-k)/e), k=A(0), e=16

g (m/s2) -5 5 -2 2

Photo Transis.

((A/e)*g)*l Intensity

Battery Voltage

((A/e)*g)*l V (Volts) 4 16 5.2 12

Altitude h*((1-((((A/e)*g)-m)/n)^j)

m (meter) 0 10000 0 9000

Battery Voltage

((A/e)*g)*l V (Volts) 4 16 5.2 12

Umbilical A IN (marks lift-off)

Mask first bit

0 1 0 1

8.3 Equations for sensor readings

1 This value must be corrected for the barometric pressure at launcher during the rocket campaign. The correction formula is based on the linear scale pressure output from the pressure sensor datasheet. This formula is: m = ((Output voltage) – 0.0045*(Known Pressure))2 1 kA/m = 1.25 mTesla (in air), 1 mT = 10 Gauss. In this formula the value is not concurrent with units.3 The magnetometer used on this sensor is only to register rocket spin variations.4 Altitude is calculated from the pressure value.

Amund Nylund – NAROM AS Side 40 av 42 v1.5 – 12.06.06

8.4 How to make graphs and calculate the altitude in Gnuplot

To use Gnuplot you first have to generate a tas file in EIDEL. The tas file has to be stored in the same directory as the wgnuplot.exe file, which is located in c:\....\gnuplot\bin.

In the tas file, which is an ASCII file and may be opened in wordpad, you will find columns with numbers. Each column represents a stored channel or signal in EIDEL.

The first thing you may do is to remove uninteresting samples from the start of the recording, this is done in Wordpad. You may find which lines to remove in at least two different ways.

1. Playback the recorded file in EIDEL and look at the accelerometer in graph view. This will react instantly when the rocket is launched. Remove the lines up to 1 second before launch.

2. Browse through the text file until you se a change in the accelerometer column which is not caused by noise. Go one or two pages up again and delete all lines above this point.

Here is the recipe for making graphs in gnuplot:

To get one graph enter the followingPlot “anexamplefilename.tas” using column_number title “name of sensor” with lines

If you want to remove some noise from the graph you may susbstitute “with lines” with one of two filters.Try to experiment wit both “smooth csplines” and “smooth frequency”.

Example: You have the pressure sensor in column number 10 in youre tas file which is named abc.tas

Plot “abc.tas” using 10 title “Pressure” with lines

The filters you may use is smooth csplines and smooth frequency. Try to plot graphs with and without the different filters to observe the effect. When using the correct filter you will have a much smoother graph which may be easier to interpret.

If you want several graphs in one picture you may follow the syntax in the example below:

plot "abc.tas" using 0:10 title "Trykk" with lines, \"abc.tas" using 0:6 title "Spinn" with lines,\"abc.tas" using 0:7 title "Akselerometer" with lines,\"abs.tas" using 0:9 title "Temp Antenna" with lines

Try to use filters to remove some noise form the signal.


When comparing several graphs in one window you should use the raw data from the analog channels.

You may look closer in to different areas of the graph by adjusting the range of one or both axis. After this adjustment you have to replot the graph typing replot.

The number along the x-axis is the number of samples.

We have to secure that we have all the analog channels and all the differet sensors with special scale in our tas file. You may use the analog channels when comparing several graphs in the same picture.

If you want a grid with an interval of 1 second overlaying the graph you have to do the following:

Go to the editor window in gnuplotPress the Axes menuChoose tics and then choose tic intervalWhen asked about axis choose x then press OKIn the next window type 1/(sample interval time).Now you should have tics each second along the x axis.Then you have to turn on the grid under the chart menu

When you have done this operation you have to type replot to plot the new graph with grid.

To plot the altitude of the rocket you have to use an equation. An example of an altitude equation is given below but this one is inaccurate

plot "example.tas" using ((T0/0,0065)*(1-($column_number_of_P/P0)**0.189968)) smooth csplines


sensorhefte - tid.uio.notid.uio.no/kurs/fys2280/manuals_2006/sensorhefte.doc · web viewfigur 5...

Documents