14. AKCELEROMETR Úkol měření 1. Seznamte se s fyzikální podstatou činnosti mikroelektromechanického (MEMS) akcelerometru (typ ADXL05, resp. LIS3L02AQ) programu pro ovládání a sběr dat z akcelerometrického senzoru a strukturou mikropočítačem řízeného modulu MA vykonávajícího funkci záznamníku přechodových jevů. 2. Stanovte citlivost a offsety akcelerometrů měřících zrychlení ve třech kolmých osách X, Y a Z. 3. Změřte zrychlení v osách X, Y, Z při otáčení kotouče s akcelerometrickými senzory. Určete příslušnost jednotlivých grafů k měřeným osám. Ze záznamu časového průběhu zrychlení určete rychlost otáčení a velikost odstředivého zrychlení. Z těchto hodnot spočtěte vzdálenost příslušného akcelerometru od středu otáčení a tuto hodnotu porovnejte se skutečností. 4. Seznamte se s demonstračním kitem MEMS akcelerometru Freescale Zstar s bezdrátovým přenosem dat pomocí přiloženého programu. Zopakujte měření dle bodu 3.
Postup měření Inicializace měřicího obvodu Spojte konektorem měřicí obvod MA se sériovým portem COM2 počítače PC a připojte MA k napájecímu zdroji přes konektor označený „POWER“. Obvod MA obsahuje superkapacitor, který se rychle nabije natolik, že dokáže obvod napájet po několik minut i při odpojení kabelu. Spusťte program „New Akcelerometr“ (ikona na ploše Windows). Inicializujte a zkontrolujte sériový port COM2 tlačítkem „Test“ na ovládacím panelu programu New Akcelerometr (v případě chyby testu proveďte RESET mikropočítače na desce MA pomocí tlačítka a test opakujte). Určení citlivosti senzorů Pro kalibraci senzorů (nastavení offsetu a citlivosti) slouží kalibrační „wizard“. Ten spustíte tlačítkem „Calibrate“ na panelu programu New Akcelerometr. Úvodní panel vám nabízí možnost si vybrat typ kalibrace: kalibrace offsetu kalibrace citlivosti Dále máte možnost napsat kalibrační konstanty přímo, nebo s pomocí kalibračního průvodce tyto konstanty změřit a spočítat. Jestliže vyberete změření a výpočet kalibračních konstant, potom se dále zobrazují panely s nákresy poloh jednotlivých senzorů (obr. 14.1) trojosého akcelerometru s tlačítkem pro odměr, s políčkem s naměřenou hodnotou a možností volby buď „bez průměrování“, nebo „s 10-ti násobným průměrováním“. Mezi těmito panely (polohami senzorů) lze jednoduše přepínat tlačítky označenými Next a Back nebo stiskem kurzových šipek ←, → (doleva a doprava). Kalibračního průvodce lze kdykoliv ukončit stiskem tlačítka Cancel nebo stiskem klávesy Esc. V posledním okně kalibračního průvodce 1
se zobrazí vypočtené hodnoty offsetů a citlivosti. Tyto hodnoty je po kalibraci možné znovu vyvolat stiskem tlačítka „Calibrate“. Hodnoty takto získaných konstant zůstávají v programu uloženy až do jeho ukončení. (Grafika v programu (dle obr. 14.1) odpovídá původní realizaci akcelerometru s 3 jednoosými senzory řady ADXL v pouzdrech dle obrázku. Modernější verze s 3-osým akcelerometrem LIS3L02AQ postrádá tuto názornost, ale funkčně je shodná.)
Obr. 14.1 Zrychlení působící na senzor v závislosti na jeho poloze
Měření zrychlení na rotujícím kotouči Příprava Po provedení kalibrace přípravek upevněte do držáku na kotouči (suchý zip). Kabel zatím nechte připojený. V programu nastavte parametry měření (doporučujeme ponechat výchozí nastavení). Nastavení parametrů Na ovládacím panelu máte možnost nastavit několik parametrů měření: Time delay (zpoždění začátku měření) - po stisku Start tlačítka na modulu MA, Frequency (vzorkovací frekvence) analogově-číslicového převodníku, ADC resolution (rozlišovací schopnost a-č převodu) - 8 nebo 12 bitů, Trig. level (úroveň spouštění záznamu), Channel (počet zaznamenávaných kanálů) - X, Y, Z nebo všechny, Time of measurement (odhadovaná doba záznamu) – dána rychlostí vzorkování a počtem kanálů. Paměť FIFO má kapacitu asi 2 kB. Délka záznamu závisí na nastavení výše uvedených parametrů. Spuštění a přenos parametrů do MA Vyvoláním funkce „Measure“ se nastavené parametry po sériové lince zapíší z PC do MA. To je signalizováno „pop-up“ hláškou nad panelem programu New Akcelerometr. Tuto hlášku můžete potvrdit. Vlastní měření se spouští až stiskem Start tlačítka na modulu MA.
2
Vlastní měření Odpojte kabel sériové linky od modulu MA (vadil by při otáčení). Stiskněte Start tlačítko. Podle nastavení „Delay“ na hlavním panelu se rozsvítí LED indikující probíhající měření. Ručně roztočte kotouč. Po dobu „Time of measurement“ pak bude probíhat měření. Pro ilustraci průběhů zrychlení je např. možné kotouč roztočit a pak rukou lehce přibrzďovat, aby se dynamika pohybu výrazněji projevila na výsledných grafech. Záznam naměřených údajů do paměti PC •
Zastavte kotouč a znovu připojte sériový kabel k modulu MA.
•
Na ovládacím panelu stiskněte tlačítko „Read data“. Tím se naměřené hodnoty z paměti v MA vyčtou a uloží do paměti PC a současně zobrazí v grafu. Je vhodné upravit osy grafu manuálně tak, aby byly naměřené průběhy pokud možno roztaženy na celou plochu grafu (nejsnáze přepnutím měřítka na Manual a opět Auto).
•
Naměřené grafy je poté možno vytisknout tlačítkem „Print graph“.
Vyhodnocení Úhlovou rychlost otáčení ω lze určit z doby periody zaznamenaného průběhu zrychlení. K tomu je možné využít funkce kurzorů v grafu. Odstředivé zrychlení a určíme jako stejnosměrnou složku signálu příslušného akcelerometru. Ze známé rychlosti ω a odstředivého zrychlení a lze vypočítat délku ramene R podle vztahu a = ω2 R.
Akcelerometr ADXL 05 Monolitický integrovaný obvod ADXL05 firmy Analog Devices slouží pro měření zrychlení v rozsahu až +/-5 g (jiné typy až 50g), základní použití je pro automatické vybavování nafukovacího vaku v automobilech (airbag). Blokové schéma obvodu je na obr. 14.2. Kalibraci akcelerometru lze pro hodnoty zrychlení 0 g, +g a –g provádět ručně, jak je ukázáno na obr. 14.1. Ke kalibraci ve větším rozsahu se využívá odstředivého zrychlení.
Obr. 14.2 Blokové schéma akcelerometru ADXL50
3
Princip činnosti akcelerometru ADXL05 je kompletní systém pro měření kladného i záporného zrychlení v maximálním rozpětí +/-5 g. Obsahuje tenkovrstvý polovodičový senzor a obvody pro další úpravu signálu. Na obr. 14.3 je zjednodušený nákres senzoru v klidovém stavu - při nulovém zrychlení. Celý senzor se skládá ze společného nosníku a z 46 diferenčních kapacitních snímačů, které mají dvě pevné elektrody, mezi nimiž je jedna pohyblivá "plovoucí" spojená s nosníkem, která se vychyluje v závislosti na působícím zrychlení. (Zobrazena je jen jedna z 46 sestav elektrod.) Jde tedy o kapacitní dělič, tvořený dvěma kondenzátory zapojenými v sérii.
Obr. 14.3 Senzor v klidu (při 0 g)
Obr. 14.4 Senzor pod vlivem zrychlení
Pevné kapacitní elektrody senzoru jsou buzeny obdélníkovými signály 1 MHz vzájemně posunutými o 180°. V klidovém stavu jsou kapacity obou kondenzátorů stejné, a proto je napětí v jejich elektrickém středu (tj. na střední elektrodě) nulové. Na obr. 14.4 je ukázáno, jak se vlivem zrychlení změní poloha nosníku senzoru. Střední elektroda se přiblíží k jedné z pevných elektrod a zároveň se oddálí od druhé. Kapacity kondenzátorů budou rozdílné a na střední elektrodě se objeví obdélníkový signál, jehož amplituda je úměrná hodnotě zrychlení a fáze nese informaci o směru pohybu nosníku; ta se vyhodnocuje pomocí synchronního demodulátoru.
Obr. 14.5 ukazuje principiální schéma akcelerometru. Výstupní signál z nosníku senzoru je přiveden do synchronního demodulátoru, do něhož je také přiveden hodinový signál 1 MHz z oscilátoru. Synchronní demodulátor potlačuje signály (šumy), které nejsou synchronní s hodinovým signálem. Pokud je signál ze senzoru ve fázi s hodinovým signálem, bude na výstupu demodulátoru kladné napětí, pokud bude posunutý o 180°, bude výstup záporný. Všechny další signály budou potlačeny. Pro nastavení šířky pásma demodulátoru slouží kondenzátor C1 (viz obr. 14.2). Výstup z demodulátoru je přiveden do předzesilovače, výstup předzesilovače je pomocí zpětné vazby veden přes izolační odpor zpět do senzoru, kde vyvolá elektrostatickou sílu, která vrátí nosník do původní pozice, tak jak je to zobrazeno na obr. 14.3. Při nenulovém zrychlení je tedy na pinu UPR napětí potřebné k nastavení původní polohy nosníku, které je tedy úměrné zrychlení. Senzor je tak ve skutečnosti nehybný.
4
Obr. 14.5 Zjednodušené schéma akcelerometru ADXL05 (datasheet Analog Devices)
Akcelerometr LIS3L02AQ Princip činnosti je obdobný jako u senzoru ADXL05 (a jako u všech podobných MEMS akcelerometrů), jedná se však o pokročilejší konstrukci se snímáním zrychlení ve 3 osách v jednom pouzdře s rozsahem +/-2g nebo +/-6g. Na rozdíl od senzoru ADXL05 se zpracování signálu děje poněkud odlišným způsobem – viz obr.14.6. Nerovnováha kapacitních snímačů vychýlení seismické hmoty (v principu obdobných jako u předchozího typu) je vyhodnocována nábojovým zesilovačem (integračně) cyklicky pro jednotlivé multiplexované osy. Veškeré zpracování je diferenční a výstupní vzorkování se děje rychlostí 66kHz pro každý kanál (x, y, z), tedy s dostatečným převzorkováním.
Obr. 14.6 - Zjednodušené schéma akcelerometru LIS3L02AQ (STMicroelectronics)
Demokit Freescale ZSTAR Kit obsahuje 3-osý senzor Freescale MMA7260QT s obdobným principem funkce jako u ostatních MEMS akcelerometrů. Zpracování signálu se v tomto případě děje technikou měření kapacity pomocí přenosu náboje a spínaných kapacitorů. Kit zároveň obsahuje 8bitový mikrokontrolér a komunikační transceiver (MC13191) v pásmu 2.4 GHz (fyzická vrstva IEEE 802.15.4). Připojený software demonstruje funkce a některé navrhované aplikace použitých senzorů.
5
