14. AKCELEROMETR Úkol měření 1. Seznamte se s fyzikální podstatou činnosti mikroelektromechanického akcelerometru ADXL05, 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. 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.
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“. Zapněte napájení přípravku třípolohovým přepínačem na desce MA (červená LED vedle přepínače se rozsvítí). Spusťte program „New Akcelerometr“ (ikona na panelu Windows). Inicializujte sériový port COM2 tlačítkem „Test“ na ovládacím panelu programu New Akcelerometr (v případě chyby testu proveďte RESET mikropočítače na desce MA pomocí černého 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 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.
Obr. 14.1 Zrychlení působící na senzor v závislosti na jeho poloze
Měření zrychlení na rotujícím kotouči Příprava Po provedení kalibrace odpojte přípravek od síťového zdroje a od počítače a upevněte jej do držáku na kotouči. Poté připojte bateriové napájení a zapojte zpět sériový kabel. Přepněte přepínač napájení MA do polohy, kdy svítí červená LED (napájeno z baterií). Nastavení parametrů Na ovládacím panelu máte možnost nastavit několik parametrů měření: Time delay (zpoždění začátku měření) - po stisku modrého tlačítka na desce 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 (doba záznamu) – dána rychlostí vzorkování a počtem kanálů. Paměť FIFO má kapacitu 2 kB. Délka záznamu závisí na nastavení výše uvedených parametrů. Přenos parametrů do MA Vyvoláním funkce „Measure“ se nastavené parametry po sériové lince načtou 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 modrého tlačítka na desce MA. Vlastní měření Odpojte kabel sériové linky od desky MA (vadil by při otáčení). Stiskněte modré tlačítko. Podle nastavení „Delay“ na hlavním panelu se buď rozsvítí zelená LED a po době nastavené v „Delay“ zhasne a rozsvítí se červená LED indikující probíhající měření, nebo se ihned rozsvítí červená LED (pokud delay = 0). 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 připojte sériový kabel k desce MA.
•
Na ovládacím panelu stiskněte tlačítko „Read data“. Tím se naměřené hodnoty z paměti v MA 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.
•
Naměřené grafy je poté možno vytisknout tlačítkem „Print graph“.
Vyhodnocení Úhlovou rychlost otáčení ω lze určit z doby periody zaznamenaného průběhu zrychlení, je však třeba znát použitou rychlost vzorkování. 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. PO UKONČENÍ MĚŘENÍ VYPNĚTE NAPÁJENÍ DESKY MA A ODPOJTE JI OD BATERIOVÉHO ZDROJE!
Akcelerometr ADXL 05 Monolitický integrovaný obvod ADXL05 firmy Analog Devices slouží pro měření zrychlení v rozsahu až 50 g, základní použití je pro automatické vybavování nafukovacího vaku v automobilech (airbag). Blokové schéma obvodu je na obr. 14.2. Citlivost obvodu na zrychlení je 19 mV/g , takže pro maximální zrychlení je výstupní rozkmit napětí 0,95 V. Úroveň pro zrychlení 0 g je interně nastavena na napětí + 1,8 V. Pro další vyhodnocení se však s výhodou používá vnitřní oddělovací zesilovač s výstupním rozsahem 0,25 V až 4,75 V. Pro nastavení výstupní citlivosti a 0 g úrovně v širokém rozsahu slouží externí rezistory R1 až R3. Kondenzátor C1 slouží pro nastavení šířky pásma demodulátoru a kondenzátor C2 jako blokovací kondenzátor oscilátoru proti rušení z ostatních částí obvodu. Napájení akcelerometru uzavřeného v kovovém hermetickém pouzdru s 10 vývody je +5 V. Teplotní pracovní rozsah je u řady pro komerční použití 0 °C až +70 °C. Popis vývodů je na obr. 14.6. Výstupní napětí z akcelerometru je zesíleno rozdílovým zesilovačem, který pomocí referenčního vstupu upraví offset tak, že při zrychlení 0 g je na výstupu přípravku 0 V. 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
Princip činnosti akcelerometru ADXL05 je kompletní systém pro měření kladného i záporného zrychlení v maximálním rozpětí 50 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 skládá ze společného nosníku a z 42 diferenčních kapacitních snímačů, které mají dvě pevné destičky, mezi nimiž je jedna pohyblivá "plovoucí" spojená s nosníkem, která se vychyluje v závislosti na působícím zrychlení. 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 destičky 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 destičce) nulové. Na obr. 14.4 je ukázáno, jak
se vlivem zrychlení změní poloha nosníku senzoru. Střední destička se přiblíží k jedné z pevných destiček a zároveň se oddálí od druhé. Kapacity kondenzátorů budou rozdílné a na střední destičce 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).
Obr. 14.5 Zjednodušené schéma akcelerometru Výstup z demodulátoru je přiveden do předzesilovače, který má nastavenou referenční úroveň na +1,8 V. Výstup předzesilovače je pomocí zpětné vazby veden přes izolační odpor 3 MΩ zpět do senzoru, kde vyvolá elektrostatickou sílu, která vrátí nosník do původní pozice, tak jak je to zobrazeno na obr. 14.3. ADXL05 je nakalibrován tak, že pro 0 g je UPR = 1,8 V. 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. Oddělovací zesilovač umožňuje nastavení měřítka až 200 mV/g a úrovně 0 g v rozsahu 0,25 až 4,75 V. Vnitřní referenci +3,4 V lze využít i externě, díky pinu UREF. Funkci autotest (Self Test) lze využít tak, že na pin ST přivedeme logickou jedničku TTL úrovně. Na výstupu senzoru se pak objeví hodnota odpovídající zápornému maximu, tedy -50 g.
