Portable Instrument Panel for Rowers Krachtsensor
Technische Universiteit Delft
T. Beintema R.L. Leijsen
P ORTABLE I NSTRUMENT PANEL FOR R OWERS K RACHTSENSOR door
T. Beintema Studentnummer: 4094379 en
R.L. Leijsen Studentnummer: 4083512
in overeenstemming met de vereisten voor het verkrijgen van de graad van
Bachelor of Science in Electrical Engineering
aan de Technische Universiteit Delft, te verdedigen op maandag 30 juni om 13:30 uur.
Projectperiode: Projectbegeleider: Technisch begeleider: Thesis commissie:
22 april, 2014 – 4 juli, 2014 Prof. dr. K. A. A. Makinwa Ing. J. Bastemeijer Prof. dr. K. A. A. Makinwa TU Delft Dr. Ing. I. E. Lager, TU Delft Ir. S. T. Navalkar, TU Delft Ir. G. v. Wechem
Op dit verslag is geheimhouding van toepassing tot en met juli 2015.
Een elektronische versie van dit verslag is beschikbaar op http://repository.tudelft.nl/.
V OORWOORD Voor u ligt de thesis van het bachelor eindproject/afstudeerproject (BEP/BAP) van de studie elektrotechniek aan de TU Delft. Hier hebben we zes en een halve week intensief aan gewerkt. Het begon met het inlezen in het onderwerp en het onderzoeken van bestaande systemen, waarna dit zich vervolgde in het kiezen en ontwerpen van verschillende meetsystemen. We hebben tegenslagen gehad zoals het niet kunnen bestellen van bepaalde componenten en het niet werken naar onze behoeften van andere componenten. Maar daarnaast is het wel een gezellige (en warme) boel geweest met vier medestudenten in dezelfde kamer, met lekker eten en leuke uitjes. Al met al is het een leuke en leerzame tijd geweest met als eindresultaat een sensor die doorbuiging kan detecteren. We willen dit verslag toewijden aan onze moeders, die ons altijd te allen tijden bijgestaan en gesteund hebben. Veel leesplezier gewenst. T. Beintema R.L. Leijsen Delft, Juni 2014
iii
I NHOUDSOPGAVE 1 Inleiding 1.1 Achtergrond. . . . . . . . . . . . . . . . 1.1.1 Roeidisciplines. . . . . . . . . . . 1.1.2 Terminologie. . . . . . . . . . . . 1.1.3 Roeibeweging . . . . . . . . . . . 1.1.4 Krachtverloop tijdens een roeihaal . 1.1.5 Roeivermogen . . . . . . . . . . . 1.1.6 Soorten riemen . . . . . . . . . . 1.2 Document Structuur . . . . . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
. . . . . . . .
1 1 1 1 1 2 3 3 4
2 Probleemdefinitie 2.1 Het probleem . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Totaalsysteem . . . . . . . . . 2.2 Probleemstelling krachtmeetsysteem . 2.3 Systeemeisen krachtmeetsysteem. . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
5 5 5 5 6
. . . .
. . . .
3 Verwant Onderzoek 9 3.1 Bestaande systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3.2 Conclusie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 4 Ontwerpproces 4.1 Soorten krachtmeetsystemen . . . 4.1.1 Trekkende kracht. . . . . . 4.1.2 Drukkende kracht . . . . . 4.1.3 Buiging . . . . . . . . . . 4.2 Verdieping krachtmeetsystemen . 4.2.1 Fiber Bragg grating . . . . . 4.2.2 Lichtbron i.c.m. ontvanger. 4.2.3 Capacitief . . . . . . . . . 4.2.4 Keuze . . . . . . . . . . . 4.3 Onze sensor . . . . . . . . . . . . 4.3.1 PSD . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Lichtbron . . . . . . . . . 4.3.3 Versterkerschakeling . . . . 4.3.4 ADC . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Voeding . . . . . . . . . . 4.3.6 Microcontroller . . . . . . 4.3.7 Integratie onderdelen . . . 4.3.8 Prototype . . . . . . . . . 4.3.9 Kostenplaatje . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 13 13 13 13 14 14 15 16 16 17 17 18 19 20 20 21 21 22 22
5 Meetresultaten 5.1 Lineariteitsmeting . . . . . . 5.2 PSD . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Sensorsysteem . . . . . . . . 5.3.1 Gleufgroottemeting . . 5.3.2 Gleufplaatsingsmeting . 5.3.3 Afstandsmeting . . . . 5.3.4 Verplaatsingsmeting . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
. . . . . . .
25 25 26 27 27 27 27 28
. . . . . . .
. . . . . . .
v
vi
I NHOUDSOPGAVE 5.4 Prototype . . . . . . 5.4.1 Test met LED. 5.4.2 Test met laser 5.5 Proof of Concept . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
. . . .
28 28 29 30
6 Discussie
33
7 Conclusie
35
8 Aanbevelingen
37
9 Erkenningen
39
Bibliografie
41
A Eisen totaalsysteem
43
B Marktanalyse
45
C Lineariteitsmeting
47
D Arduino code
49
E Circuit schema
51
S AMENVATTING Dit verslag beschrijft het onderzoeken en ontwerpen van een krachtsensor voor een roeiboot. Het geleverde ontwerp wordt gezien als onderdeel van een totaalsysteem om het vermogen van een roeier te meten. Keuzes gemaakt in deze thesis zijn gemaakt met dit totaalsysteem in het achterhoofd gehouden. Na een korte blik op verschillende bestaande systemen en principes om kracht te meten, wordt een uitgebreider onderzoek gedaan naar een systeem berustend op de volgende principes: optisch d.m.v. een fibre Bragg grating (FBG), optisch d.m.v. een lichtbron met doelwit en capacitief. Op basis van een PSD is een sensor ontwikkeld. Hiermee is een krachtmeetsysteem ontworpen en een prototype gemaakt. Deze voldoet nog niet aan de vooraf gestelde eisen. De sensor ondervindt nog grote variatie binnen de behaalde meetresultaten waardoor het nog niet mogelijk is om een nauwkeurige conversiefactor, om de buiging van de paal naar kracht te converteren, te bepalen. Op dit moment is het meest nauwkeurige resultaat een conversiefactor van 8,69 newton per verplaatsing met een onnauwkeurigheid van 2,66%. De verplaatsing heeft een afwijking van het gemiddelde van 0,42%.
vii
1 I NLEIDING Veel serieuze roeiers zouden wel een klein, goedkoop en draagbaar systeem willen hebben dat hun snelheid, slagsnelheid, geleverd vermogen, afstand, tijdsduur en dergelijke tijdens een training kan meten en laten zien. Zulke systemen zijn beschikbaar voor hometrainers, zogenaamde ergometers, maar er is geen betaalbaar commercieel product beschikbaar voor gebruik op het water, wat als een grote tekortkoming gezien wordt. Dit verslag beschrijft een krachtsensor die de doorbuiging van een riem kan meten en deze kan correleren aan de kracht die door de roeier wordt uitgeoefend. Deze informatie zal (samen met eventueel andere sensoren) draadloos met een scherm communiceren waarop de desbetreffende kracht realtime, dus tijdens het roeien op het water, uitgelezen kan worden. Dit scherm zou gezien kunnen worden als een smartphone die de gemeten informatie vervolgens kan bewerken en tonen.
1.1. A CHTERGROND Om dit verslag goed te kunnen begrijpen is er enige voorkennis nodig. Daarom zal er kort enige achtergrondinformatie over een aantal aspecten van het roeien gegeven worden die van toepassing zijn op de krachtsensor.
1.1.1. R OEIDISCIPLINES Voor het algemene begrip van roeien is het belangrijk om te weten dat er verschillende roeidisciplines zijn. In een skiff, een boot voor één persoon, wordt er met twee riemen geroeid. Bij boten met twee of meer roeiers zijn er twee mogelijkheden: boordroeien en scullen. Bij boordroeien roeit iedere roeier met één riem en bij scullen roeit iederen roeier met twee riemen. Tijdens het scullen wordt gebruik gemaakt van kleinere riemen en iets kleinere bladen. Boordroeien wordt als lastiger ervaren aangezien er optimale synchronisatie en kracht van de halen benodigd is. Een belangrijke kleinigheid die hier opgemerkt kan worden is dat er tijdens roeien op een skiff op beide riemen evenveel kracht wordt geleverd om in een rechte lijn te varen. 1.1.2. T ERMINOLOGIE Om duidelijk te maken wat er met sommige termen bedoeld wordt en om verwarring te voorkomen in dit verslag, wordt er in Tabel 1.1 en Figuur 1.1 een korte uitleg gegeven over wat voor termen er allemaal te maken hebben met de riem en dol bij het ontwerpen [1]. 1.1.3. R OEIBEWEGING Tijdens het roeien wordt steeds eenzelfde beweging herhaald. Het is voor een roeier van belang om exact te weten hoe zo’n beweging in elkaar zit. Het is daarom handig om deze in verschillende fasen in te delen. Zo kan goed gecommuncieerd worden en gemakkelijk aangegeven worden in welk deel van de haal de roeier zich zou moeten verbeteren. Een roeibeweging is grofweg in de volgende vier fasen te verdelen (zie Figuur 1.2 ter verduidelijking): The catch Hierbij worden de benen ingetrokken en de armen zover mogelijk gestrekt zonder de rug te buigen. Het blad is loodrecht op het water en wordt net onder het wateroppervlak gelaten. 1
2
1. I NLEIDING
Tabel 1.1: Uitleg van de benaming van de onderdelen van een riem en dol.
1.
Blad
Plat gedeelte aan het einde van de riem om de druk van de riem op het water over te brengen.
2.
Hals
Dunste gedeelte van een riem, daar waar het blad aan de steel vast zit.
3.
Steel
Riem exclusief blad.
4.
Manchet
Extra bescherming van de riem op de plaats van de dol.
5.
Kraag
Opstaande rand die ervoor zorgt dat de riem niet door de dol heen kan.
6.
Handvat
Gedeelte van de riem waaraan de riem wordt vastgehouden.
7.
Dolpen
Stalen vertikale pen waar de dol omheen draait.
8.
Dolklep of overslag
Klepje dat dol afsluit zodat de riem er niet uit kan.
9.
Dol
Draaiende houder waarin de riem ligt; meestal met een dolklep afsluitbaar gemaakt en bevestigd op de rigger.
1 2
3
4
5
6
7
8
9
Figuur 1.1: De riem (links) en de dol (rechts).
The drive Het lichaam wordt weggeduwd met de benen en de slag wordt gemaakt. De benen worden nu bijna gestrekt. The finish De benen worden volledig gestrekt en er wordt lichtjes achterover geleund. The recovery De riem wordt uit het water gehaald en het blad wordt parallel met het water gedraaid. De armen worden gestrekt en het lichaam wordt rond de heupen gebogen tot er lichtjes vooruit gehangen wordt. Het blad wordt weer loodrecht op het water gedraaid.
Figuur 1.2: Een volledige roeibeweging [2].
1.1.4. K RACHTVERLOOP TIJDENS EEN ROEIHAAL Tijdens een roeibeweging wordt er geen constante kracht uitgeoefend. Voor de krachtsensor is het van belang om te weten wat de maximale kracht is die uitgeoefend kan worden. De maximale kracht die door roeiers
1.1. A CHTERGROND
3
geleverd kan worden is ongeveer 1350 N [3]. Daarnaast is het praktisch om te weten wat de krachtverloop gedurende een haal is, zodat foutieve meetwaarden makkelijk herkend kunnen worden om ze er uit te vissen en ervoor te zorgen dat deze niet gebruikt worden. Gedurende de drive, van inpik van de riem in het water tot uitpik, ziet de krachtverloop er uit als te zien is in Figuur 1.3. Hierna vindt de recovery fase plaats.
Figuur 1.3: De krachtverloop gedurende de drive van een roeibeweging op een stationaire en een dynamische ergometer [4].
1.1.5. R OEIVERMOGEN Het vermogen dat geleverd wordt door de roeier, oftwel het roeivermogen, is met vergelijking 1.1 te bepalen [5]. x0 0 0 P r oei er = F hand (1.1) v at · (y hand v at − y pi n ) · ωr i em + m r oei er · x¨r oei er · x˙boot Hierbij is x en y het normale assenstelsel met positieve x in de vaarrichting en y loodrecht op de boot. Het x 0 − y 0 assenstelsel is gedefinieerd door de oriëntatie van de riem. Het is zo geplaatst dat de y 0 -as in de richting is van dol tot hendel. Verder zijn de gebruikte variabelen als volgt: • P r oei er : het totaal geleverde mechanische vermogen van de roeier [W ] 0
x • F hand : de kracht van de roeier loodrecht op de riem [N ] v at 0 0 • y hand − y pi : de afstand tussen het aangrijppunt van de kracht op het handvat en het aangrijppunt n v at van de kracht op de pin (de as van de dol) [m]
• ωr i em : de hoeksnelheid van de riem [ r ad s ] • m r oei er : de massa van de roeier [g ] • x¨r oei er : de versnelling van de roeier [ m ] s2 • x˙boot : de snelheid van de boot [ ms ] Het tweede deel van vergelijking 1.1, m r oei er · x¨r oei er · x˙boot , stelt het vermogen veroorzaakt door de versnelling van de roeier ten opzichte van de boot tijdens de recovery voor. Volgens de entrepeneur is deze een factor zeven kleiner en mag deze als een constante factor bij het eerste deel van de vergelijking opgeteld worden, hoewel deze desalniettemin afhankelijk is van het gewicht van de roeier. Er is met de entrepeneur afgesproken eerst te focussen op het eerste deel van de vergelijking. Het enige dat dan nog uitgerekend moet worden om het vermogen van de roeier te bepalen is de kracht op het handvat, de afstand tussen het handvat en de draaias, en de hoeksnelheid.
1.1.6. S OORTEN RIEMEN Roeiriemen worden vaak bij verschillende namen genoemd. Echter, niet alle namen worden juist gebruikt. Het verschil tussen een roeispaan en een roeiriem (soms simpelweg paal genoemd) is gemakkelijk te zien. Een riem wordt gemaakt van rond hout, terwijl een spaan gemaakt wordt van een plank. Een peddel zit niet aan de boot met een dol of pen, maar hierbij wordt door de roeier zelf een draaipunt gevormd [6]. Naast
4
1. I NLEIDING
dat er verschil is tussen een peddel, een roeispaan en een roeiriem is er ook nog verschil binnen deze categorieën. Neem bijvoorbeeld de roeiriem. Niet elke riem is hetzelfde. De doorbuiging van verschillende riemen is afhankelijk van het materiaal, beschadigingen, ouderdom, temperatuur etcetera. Hier moet voor een krachtsensor wellicht rekening mee gehouden worden. Het zou bijvoorbeeld kunnen zijn dat een riem bij een verschil in weersomstandigheid opnieuw gekalibreerd moet worden.
1.2. D OCUMENT S TRUCTUUR Nu de achtergrondinformatie verteld is, zal in dit verslag eerst bekeken worden welke soortgelijke producten er allemaal al op de markt te vinden zijn. Vervolgens wordt er gekeken naar wat voor mogelijkheden er zijn om een krachtsensor te maken. Een deel van deze mogelijkheden zal nader bekeken worden en uiteindelijk wordt er één optie gekozen waarmee verder wordt gegaan. Op basis van dit principe zal geprobeerd worden een werkend prototype te bouwen. Het ontwerpproces zal worden besproken en de behaalde resultaten zullen worden uitgelegd. Als laatste wordt de sensor nog bediscussieerd, wordt er een conclusie getrokken en worden er aanbevelingen gedaan.
2 P ROBLEEMDEFINITIE Dit hoofdstuk vertelt wat het probleem is dat de aanleiding tot dit onderzoek geeft en wat de eisen van het systeem zijn die opgesteld zijn door de entrepeneur.1
2.1. H ET PROBLEEM Een roeier en vooral een coach zouden graag willen zien hoe de roeiprestaties zijn en dat niet alleen op de waterkant (met een ergometer), maar ook graag tijdens het roeien op het water. Dit zou idealiter met behulp van een goedkoop add-on systeem zijn, dat op elke boot of riem gebruikt kan worden en real-time informatie aan de roeier kan leveren zodat hij directe feedback krijgt en zich meteen kan verbeteren.
2.1.1. T OTAALSYSTEEM Het totaalsysteem moet het vermogen geleverd door de roeier kunnen laten zien. Zo’n systeem moet volgens paragraaf 1.1.5 de kracht en hoeksnelheid kunnen meten. Deze gemeten gegevens moeten vervolgens verstuurd worden naar een scherm waar het door de roeier of coach op afgelezen kan worden. Een smartphone zou deze laatste stap kunnen vervullen. De smartphone zou gebruikt kunnen worden om de informatie te ontvangen en een applicatie hierop kan gebruikt worden om de informatie te analyseren en te laten zien. Zie Figuur 2.1 voor een schematisch overzicht van het totale systeem.
Figuur 2.1: Een simpele weergave van het totale systeem.
2.2. P ROBLEEMSTELLING KRACHTMEETSYSTEEM Een subprobleem van het totaalsysteem, het probleem waar in dit verslag op ingegaan wordt, is het meten van de geleverde kracht. Er zal een krachtmeetsysteem ontworpen moeten worden die de krachten van de roeier op de riem meet. 1 Guus van Wechem:
[email protected]
5
6
2. P ROBLEEMDEFINITIE
2.3. S YSTEEMEISEN KRACHTMEETSYSTEEM Er is door de entrepeneur een aantal eisen en specificaties opgesteld waar het totaalsysteem aan moet voldoen. Zie Tabel A.1 in Appendix A voor een overzicht hiervan. Niet alle eisen en specificaties zijn echter direct op de krachtsensor van toepassing en sommige zelfs helemaal niet. Aangezien het totaalsysteem meer moet kunnen dan alleen de kracht meten, zijn, in overleg met het team dat zorgt voor de hoekmeting2 , sommige specificaties voor het krachtmeetsysteem net even anders opgesteld zodat het eindproduct aan de opgestelde systeemeisen van de entrepeneur voldoet. De eisen en specificaties van het krachtmeetsysteem zijn als volgt: Robuust Het krachtmeetsysteem moet robuust zijn. Er spelen grote krachten op een riem tijdens het roeien, maar ook op de kant kan het systeem een stootje ondervinden. Een riem kan bijvoorbeeld op de grond vallen. Hier moet het meetsysteem tegen bestand zijn. Add-on Het krachtmeetsysteem moet een add-on zijn. Het moet in of op de riem geplaatst en weer verwijderd kunnen worden zonder dat het meetsysteem daar schade onder lijdt; er mag geen noodzaak zijn tot het kopen van een nieuwe riem als van het meetsysteem gebruik gemaak wil worden. Eenvoudige installatie Bij de eis add-on komt meteen het volgende puntje te kijk: hij moet eenvoudig te installeren zijn. Een leek moet in staat kunnen zijn om het krachtmeetsysteem gemakkelijk op de riem te plaatsen. Beschikken over eigen energievoorziening Het systeem moet beschikken over zijn eigen energievoorziening. Deze moet oplaadbaar zijn en voor 10 uur aan trainingstijd mee gaan. Deze 10 uur is gebaseerd op ongeveer 5 trainingen van 2 uur voordat hij weer opgeladen moet worden. Dat is voor een fervente roeier wellicht eens in de week. Realtime Het meetsysteem moet de informatie realtime verwerken. De gemeten krachten moeten direct uitgelezen en verstuurd worden. Kosten De kosten voor het totale systeem, inclusief arbeid, zijn maximaal 100 euro. Dit zijn ook de kosten die het hoekmeetteam maakt. Er is daarom afgesproken dat het maximale bedrag voor het krachtmeetsysteem 50 euro mag bedragen. Dit is niet geheel realistisch, aangezien sommige onderdelen zoals accu en microcontroller door beide sensoren gedeeld zullen worden. Van de gedeelde componenten zal de helft van de kosten gerekend worden. Gewicht Het gewicht van het totale systeem is 250 gram. De helft hiervan is toebedeeld aan het krachtmeetsysteem, de andere helft aan de sensor van het hoekmeetteam. Hier geldt hetzelfde als met de kosten, sommigen onderdelen zullen gedeeld worden met de hoeksensor. Van de gedeelde componenten zal de helft van het gewicht gerekend worden. Het krachtmeetsysteem mag dus maximaal 125 gram zwaar zijn. Onnauwkeurigheid Het totale systeem mag een foutmarge van maximaal 5% in het roeivermogen hebben. Als gekeken wordt naar vergelijking 1.1 uit paragraaf 1.1.5 dan valt met vergelijking 2.1 en vergelijking 2.2 de maximale afwijking van de beide systemen op zichzelf te berekenen. Hierbij wordt er van uitgegaan dat de kracht en hoeksnelheid onafhankelijk van elkaar zijn. P + ∆P = (ω + ∆ω) · (F + ∆F )
(2.1)
∆P ∆ω ∆F ∆F ∆ω = + + · (2.2) P ω F F ω Door de beide foutmarges in de hoek en in de kracht gelijk te stellen valt de simpele formule 0, 05 = 2x+x 2 op te lossen. Hier komt voor x de waarde 2,4% uit. De maximale fout van het krachtmeetsysteem mag dus 2,4% bedragen. Dit valt te controleren met vergelijking 2.3. 5% > 2, 4% + 2, 4% + (2, 4% · 2, 4%) 2 B. Oosterhuis en K. Schaper
(2.3)
2.3. S YSTEEMEISEN KRACHTMEETSYSTEEM
7
Energiezuinigheid Het totale systeem moet energiezuinig zijn. Hij moet minimaal 10 uur met zijn batterij mee kunnen gaan. Dit is in samenspraak met de eis dat hij over een eigen energievoorziening moet beschikken, die ook nader te bepalen is. Er zal daarom een zo energiezuinig mogelijk systeem ontwikkeld worden zodat de beste batterij hier aan afgesteld kan worden. Sample rate Het systeem moet een maximum van 50 slagen per minuut kunnen meten. Tijdens elke slag moeten er genoeg samples genomen worden om de krachtverloop goed te kunnen weergeven. Het aantal samples per slag om een goed krachtverloop weer te kunnen geven is in samenspraak met het softwareteam3 vastgesteld op 40 waardoor een totaal van 2000 samples per minuut nodig is. Krachtbereik Het totale krachtbereik dat een roeier kan leveren moet uitgelezen kunnen worden. De maximale kracht die de roeier kan uitoefenen is, zoals in paragraaf 1.1.4 reeds genoemd, ongeveer 1350 newton. Hier is nog een marge bovenopgezet waardoor een maximum van 1500 newton gemeten moet kunnen worden. Opslagtemperatuur Het systeem zal in veel gevallen opgeslagen worden in een loods. ‘s Winters is deze niet altijd even warm. Daarom wordt de specificatie opgesteld dat de opslagtemperatuur tussen de -40◦ C en 70 ◦ C moet liggen. Werktemperatuur Aangezien het met ijs lastig roeien is zal de minimale werktemperatuur rond de 0◦ C liggen. Als op een zomerse dag de zon een tijdje op het systeem schijnt kan het snel al 40 ◦ C worden. Op deze temperaturen wordt nog een marge gezet en daarom wordt de werktemperatuur vastgesteld tussen de -5◦ C en 50◦ C. Levensduur Het krachtmeetsysteem moet net zo lang mee kunnen gaan als een riem meegaat: ongeveer 5 jaar. Verder moet het krachtmeetsysteem tegen water en stof kunnen. Er is door onszelf afgesproken dat hij moet voldoen aan de IP-codering IP-67: stofbestendig en dompeldicht. Daarnaast is in samenspraak met het hoekmeetteam besloten dat het systeem met communicatieprotocol SPI moet kunnen communiceren. Tabel 2.1 vat de eisen, specificaties en afspraken van de krachtsensor samen.
3 K. Dreef en M. van der Reek
8
2. P ROBLEEMDEFINITIE
Tabel 2.1: Eisen, specificaties en afspraken van het krachtmeetsysteem.
Algemene eisen: Robuust Add-on Eenvoudig installatie Beschikken over een energievoorziening Realtime Specificaties: Kosten: 50 euro4 Gewicht: 125 gram4 Onnauwkeurigheid: ≤ 2,4%4 Energiezuinig: batterijduur 10 uur Sample rate: 2 kspm5 Krachtbereik: 0 - 1500 N Opslagtemperatuur: -40◦ C tot 70◦ C Werktemperatuur: -5◦ C tot 50◦ C Levensduur: 5 jaar Afspraken: Water- en stofbestendig: IP-67 Communicatieprotocol: SPI4
4 In overleg met het hoekmeetteam 5 In overleg met het softwareteam
3 V ERWANT O NDERZOEK Dit hoofdstuk omschrijft het verwante (markt)onderzoek. Hier wordt beschreven wat voor soortgelijke producten er allemaal op de markt zijn.
3.1. B ESTAANDE SYSTEMEN Er zijn al een aantal systemen op de markt die ook de kracht van een roeier op het water kunnen laten zien. Maar wat zijn hun voor- en nadelen en zijn deze systemen wel te verbeteren? Hieronder een paar systemen die op de markt zijn en een korte uitleg over hun functies, mogelijkheden en beperkingen. R OW X- OUTDOOR De RowX-outdoor van Weba Sport kan de kracht op en draaihoek van elke riem, bootsnelheid, bootversnelling in X en Z richting en optioneel ook nog de hartslag meten [7]. De kracht kan op twee verschilllende manieren gemeten worden: in de dol of op de riem (zie Figuur 3.1). De ‘Sensored Oarlock’, die geplaatst is in de dol heeft als voordeel dat er geen kalibratie nodig is. De ‘Oar bending sensor’ die geplaatst is op de riem en die de vervorming van de riem meet, moet bij elke plaatsing opnieuw gekalibreerd worden. De snelheid van de boot wordt met behulp van een propellortje gemeten die de informatie met een kabel doorstuurt naar het RowX-outdoor Display Device. Het Display Device kan de informatie realtime laten zien. Het is mogelijk om 30 uur aan informatie terug te zien. De opgeslagen informatie kan op een standaard desktop computer geanalyseerd worden. De batterij is oplaadbaar en kan 25 uur mee gaan. Daarnaast is hij lichtgewicht (320 gram).
Figuur 3.1: De beide mogelijke krachtsensoren van RowX-outdoor van Weba Sport. De Sensored Oarlock (links) en de Oar bending sensor (rechts).
P OWER L INE PowerLine Rowing Instrumentation and Telemetry van Peach Innovations kan het individuele vermogen van de roeiers meten, de krachten correleren met een video en kan goed op elkaar afgestemde roeitechnieken identificeren [8]. De PowerLine meet de kracht van de riem in de dol op de pin (zie Figuur 3.2). Het standaard product kan de kracht, de hoek, de snelheid en de beweging van de boot laten zien. Een on-board logger voorziet de roeier van een directe feedback. De coach kan tot op een afstand van 100 tot 150 meter met een 9
10
3. V ERWANT O NDERZOEK
radio module connectie maken met de logger. Zo is het mogelijk om de gefilmde beelden later te synchroniseren met de meetdata. Extra sensoren kunnen erbij gekocht worden die de kracht op de schoenenplaat, de stoelpositie en nog meer parameters kunnen registreren. De standaard set prijs is afhankelijk van het aantal roeiers. Het varieert van omgerekend 3000 euro tot 7000 euro.
Figuur 3.2: De dol (links) en de logger (rechts) van de PowerLine van Peach Innovations.
I NTELLI G ATE IntelliGate van Oar Inspired geeft realtime informatie over de hoek, insteekdiepte en kracht door met een drukplaat de krachten van de riem op de dol te meten (zie Figuur 3.3) [9]. Hij is geheel draadloos. De IntelliGate heeft net genoeg bereik om de informatie van een acht naar de stuurman te zenden. Het bijbehorende RowCom scherm heeft echter een bereik van richting de kilometer om communicatie met de coach aan de kant te handhaven. Hij kan genoeg informatie voor een training opslaan en deze informatie door de computer uit te laten lezen. De oplaadbare accu is eenvoudig te verwisselen, zelfs op het water. Uniek aan de IntelliGate is dat hij ook de hoogte (of diepte) van de riem kan meten. De initiële productie zou beginnen in september 2014, maar hij heeft zijn financieringsdoel op Kickstarter niet gehaald [10].
Figuur 3.3: De IntelliGate van Oar Inspired
S MART O AR SmartOar is een add-on die niet invasief is voor de boot, draadloos en lichtgewicht (76 gram) voor de roeier [11]. De SmartOar kan de informatie realtime doorsturen naar de coach of opslaan om het later, met behulp van een USB Download Box, op de computer te analyseren. De coach heeft beschikking over de Coaches’ Tablet, een flinke koffer dat een totaal van 8 roeiers real-time bij kan houden en geheel voorzien is van allerlei functionaliteiten (zie Figuur 3.4). De SmartOar kan ongeveer 10 uur met z’n batterij mee. De SmartOar is omgerekend ongeveer 360 euro, de Coaches’ Tablet ongeveer 4300 euro en de USB Download Box is omgerekend ongeveer 140 euro. D IGITAL D ATA A CQUISITION O AR De Digital Data Acquisition Oar van Croker is een complete riem die data kunnen meten [12]. Dit is geen add-on zoals de meeste meetsystemen. Hierdoor kan de roeier niet zijn eigen riem gebruiken. Hij kan ook als enige meetsysteem geen hoek meten. De maximale meettijd is bovendien slechts 80 minuten. Hij is makkelijk in gebruik te nemen, maar verder niet erg wenselijk.
3.2. C ONCLUSIE
11
Figuur 3.4: De SmartOar sensor (links) en de Coachs’ Tablet van SmartOar (rechts).
B IO R OW T EL De BioRowTel van BioRow kan meer variabelen meten dan een standaard telemetrie systeem, maar heeft bekwame mensen nodig om er mee te werken [13]. Hij wordt dan ook voornamelijk gebruikt voor onderzoek en niet zozeer voor directe feedback op het water. De elektronica bestaat uit een master toestel, heeft 100 uur data opslag geheugen (2 Gb), een GPS ontvanger, een 3D accelerometer en een 2D gyrometer. Tot acht slaves kunnen hierop aangesloten worden, die dingen zoals hartslag kunnen meten. Een tweedimensionale hoeksensor kan de hoek in het horizontale en verticale vlak meten. Een krachtsensor meet kracht uitgeoefend op het handvat door de buiging van de riem te meten. Kalibratie duurt hier maar minder dan een minuut. Deze sensor is smal en licht en kan op elk type riem gebruikt worden. Ook bevat de BioRowTel positiesensoren voor de bank en schouders om de snelheid en ingangsvermogen om te zetten in totaal roeivermogen om roeistijl en techniek te analyseren. Tevens is er nog een windkracht- en richtingsmeter aanwezig. D URHAMBOAT Durham Boat Company heeft een krachtmeetsysteem dat de kracht meet op de pin van de dol (zie Figuur 3.5) [14]. Het systeem kan onder andere de hoek, kracht, snelheid, versnelling, slagsnelheid en slagafstand laten zien op de computer en kan gesynchroniseerd worden met de filmdata die de coach heeft genomen.
Figuur 3.5: Het systeem van Durham Boat Company.
I NTELLIGENT O ARLOCK De Intelligent Oarlock van ST-Oarthrust meet 500 keer per seconde de kracht en hoek door een meting op de pin van de dol (zie Figuur 3.6)[15]. Zo kan ook de slagsnelheid, het aantal slagen, de verstreken tijd, gemiddelde kracht per slag, de piekkracht en dergelijken gemeten worden, zowel in teamverband als roeiers individueel. De communicatie en stroomvoorziening vindt plaats via een of twee kabels die de dollen met de USB base unit verbindt. De USB base unit kan van 8 oarlocks informatie meten. De USB base unit kan worden aangesloten op een computer waar de data geanalyseerd kan worden. Dit kan realtime gebeuren maar de data kan ook opgeslagen worden voor later gebruik.
3.2. C ONCLUSIE Tabel B.1 in Appendix B laat een samenvattend overzicht zien van de verschillende systemen die op de markt zijn, vergeleken met het te ontwerpen systeem. Wat opvalt is dat bijna alle systemen over een hoekmeter beschikken en een add-on zijn. Het laatstgenoemde is makkelijk te verklaren vanwege de prijs. Een addon systeem is veel goedkoper om te maken. Een dol inclusief dolpen kost rond de 40 euro, terwijl een riem
12
3. V ERWANT O NDERZOEK
Figuur 3.6: De Intelligent Oarlock sensor van ST-Oarthrust zonder (links) en met dol (rechts).
zonder meetsysteem al rond de 400 euro kost. Een ander puntje dat opvalt is dat het te ontwerpen systeem als enige gebruik maakt van een telefoon als subdeel van het product. Tegenwoordig heeft bijna iedereen een smartphone die ze voor het uitlezen en ontvangen van data kunnen gebruiken. Dit beperkt de kosten voor het totaalproduct flink.
4 O NTWERPPROCES Dit hoofdstuk beschrijft het ontwerpproces en geeft een onderbouwing van de voorgestelde oplossingen.
4.1. S OORTEN KRACHTMEETSYSTEMEN Het doel is een systeem ontwerpen om de kracht, uitgeoefend door de roeier, te meten. Dit kan op veel verschillende manieren gedaan worden. De krachtmeetsystemen zijn in grofweg drie categorieën in te delen: trekkracht, duwkracht en doorbuiging.
4.1.1. T REKKENDE KRACHT De trekkende kracht is bijvoorbeeld te meten door een verbinding te maken tussen het einde van het handvat en de boot. Dit kan robuust en goedkoop gemaakt worden, maar zal in de weg zitten voor de roeier. Ook kan een draaiing van de riem voor onnauwkeurigheid in de metingen zorgen. 4.1.2. D RUKKENDE KRACHT De drukkende kracht is op een aantal meer plaatsen te meten: op het voetstuk, bij het handvat, bij de dol of op het blad. Deze optie heeft als voordeel dat er geen kalibratie nodig is. De gemeten druk is namelijk ook direct de uitgeoefende kracht. Deze sensoren zijn over het algemeen niet erg robuust als ze veelvuldig gebruikt worden, P.S. Fuchs en V.F.C. van Hoek hebben uitgerekend dat dit systeem maar twee weken kan meegaan [16]. De sensoren die robuust genoeg zijn, het benodigde bereik hebben, een goede nauwkeurigheid hebben en ook nog eens lang genoeg mee gaan zijn veelal te groot of te duur of aan het plan van eisen te voldoen. 4.1.3. B UIGING De buiging is een grotere verscheidenheid van manieren te meten. De doorbuiging van de riem is te correleren aan een kracht die erop uitgeoefend wordt. Hoe verder de riem doorbuigt, hoe meer kracht erop geleverd wordt. Door de riem een keer te kalibreren kan bepaald worden wat voor doorbuiging met wat voor kracht overeenkomt. De buiging kan bijvoorbeeld door middel van een rek-, een optische-, een inductieve- of een capacitieve meting bepaald worden. R EK Met behulp van rekstrookjes kan de doorbuiging van de riem gemeten worden. Deze kunnen op de dolpen, op de riem of aan de riem bevestigd worden. Dit heeft als voordeel dat de buiging direct naar een kracht te transleren is. Ze zijn bovendien goedkoop en kunnen erg nauwkeurig meten. Een nadeel is echter dat dit geen add-on oplossing is. De meetapparatuur moet op de riem vastgemaakt worden en gaat dus net zo lang mee als de riem. Ook is het niet gemakkelijk te bevestigen waardoor het niet door elke roeier gedaan kan worden. Als de rekstrookjes aan de riem gemaakt worden, dus als omhulsel om de riem geschoven kunnen worden, is het wel makkelijk te bevestigen en niet langer gebonden aan de levensduur van een riem. Het is dan echter geen directe meting van de buiging van de riem meer wat een meetfout oplevert [16]. O PTISCH Met een camera of ultrasone sensor kan de positie van reflectoren tijdens het roeien bepaald worden. Dit kan naast de kracht ook meteen een hoekmeting doen. Dit heeft echter als nadelen dat er veel beeldverwerking 13
14
4. O NTWERPPROCES
plaats moet vinden en het een dure oplossing is. Een laser en doelwit die op twee verschillende plekken op de riem bevestigd zitten kunnen samen ook de doorbuiging meten. Deze sensor hoeft zelf geen kracht te ondervinden en kan eenvoudig en goedkoop zijn. Dit systeem heeft echter als nadeel dat het goed uitgelijnd moet zijn. Ook kan met behulp van een fiber Bragg grated glasvezel de doorbuiging gemeten worden. Hierbij wordt er licht door een bewerkte glasvezelkabel gestuurd waarbij een doorbuiging voor een andere gereflecteerde golflengte zorgt, die gemeten kan worden met een FBG analyzer. Dit is nauwkeurig maar ook duur. I NDUCTIEF Met behulp van inductie kan ook een buiging gemeten worden. Een voorbeeld hiervan is een lineair variabele differentiaaltransformator (LVDT). Deze zijn robuust, energiezuinig (rond de 30 mA) en kan nauwkeurig een lineaire verplaatsing meten (richting enkele millimeters). Deze sensoren zijn echter duur (al snel 150+ euro) en vragen een goede uitlijning op de riem. C APACITIEF Er zijn ook verschillende capacitieve oplossingen mogelijk om de doorbuiging van de riem te meten. Een simpele platencondensator kan al als een goede buigingssensor fungeren. Capacitieve sensoren zijn goedkoop, nauwkeurig en robuust. Nadeel is dat de permittiviteit ook afhangt van locatiespecifieke parameters zoals de luchtvochtigheid en niet relevante verplaatsing. Capacitieve oplossingen hebben daarom een referentiesysteem nodig.
4.2. V ERDIEPING KRACHTMEETSYSTEMEN Er zijn door voorgaande eindprojectgroepen al enige opties bekeken en uitgeprobeerd [16][17]. Deze informatie is meegenomen in de keuze voor het sensorprincipe dat gebruikt gaat worden. Er worden drie potenti¨le opties uitvoeriger bekeken voordat hieruit de uiteindelijke keuze wordt gemaakt. Dit is het capacitieve systeem en de optische systemen op basis van fiber Bragg grating en laser in combinatie met een doelwit.
4.2.1. F IBER B RAGG GRATING De FBG sensor berust op een systeem bestaande uit een bewerkte glasvezelkabel en een integrator. De glasvezelkabel is van binnen geëtst met een zogenaamde Bragg grating. Deze Bragg grating bestaat uit etsen op een specifieke afstand van elkaar geplaatst. Wanneer de glasvezel wordt uitgerekt of gebogen, dan neemt de afstand tussen de verschillende etsen toe. Wanneer een optisch signaal door de glasvezel gaat en de Bragg grating tegenkomt, dan wordt één specifieke golflengte gereflecteerd afhankelijk van de afstand tussen de etsen. Door aan de ingang de frequentie van het terugkerend signaal te meten, is een maat voor de buiging of rek te bepalen.
Figuur 4.1: Fibre Bragg grating. Bron: Kayser-Threde GmbH.
Fiber Bragg grating heeft als voordeel dat het nauwkeurig is. Voor de conversie van het optische signaal naar het elektrische signaal zijn nu echter nog grote en zware integratoren nodig die niet binnen het plan van eisen vallen. Het is daarnaast ook nog geen groot commercieel product en de patenten zijn nog niet afgelopen. Hierdoor wordt het een prijzige techniek. De sensor kost rond de 50 euro, maar de integratoren kosten
4.2. V ERDIEPING KRACHTMEETSYSTEMEN
15
rond de 7000 euro [18]. Het belooft in de nabije toekomst, wanneer de patenten vrijkomen, wel goedkoper te worden.
4.2.2. L ICHTBRON I . C . M . ONTVANGER Door een lichtbron op een ontvanger te richten kan een verplaatsing of buiging worden geregistreerd. De ontvanger kan op verschillende manieren worden ontworpen, waaronder: Four Quadrant Diode, Fotodiode Array, Fotodiode Matrix en PSD. F OUR QUADRANT D IODE Een vier kwadranten diode is opgedeeld in vier kwadranten die elk een stroom genereren als er licht op valt. Deze kunnen elk afzonderlijk uitgelezen worden. Door een lichtspot te nemen van de juiste grootte kan bepaald worden in welke richting er een beweging plaatsvindt. De lichtspot moet als hij gecentreerd is op alle vier de kwadranten vallen. Bij een te grote of te kleine lichtspot is er geen of te weinig beweging detecteerbaar. Als hij te groot is en alle vier de vlakken overlapt genereert elk vlak een bepaalde stroom. Als de positie van de lichtspot dan veranderd, maar nog steeds de hele sensor overlapt is met licht, wordt er geen verandering gedetecteerd terwijl deze wel heeft plaatsgevonden. Eveneens is dit het geval als de lichtspot te klein is. Stel dat de lichtspot in zijn geheel in één vlak valt. Na een beweging kan het dan zijn dat hij zich nog steeds helemaal in datzelfde vlak bevindt. Er heeft wederom een beweging van de lichtspot plaatsgevonden, maar deze is niet gedetecteerd.
Figuur 4.2: Een voorbeeld van een vier kwadranten diode: de QP50-6 van First Sensor [19].
F OTODIODE A RRAY Een reeks van meerdere diodes kan ook gebruikt worden als bewegingssensor. Door de stroomintensiteit van de afzonderlijke diodes uit te lezen kan bepaald worden waar een lichtspot op de reeks schijnt. Door de uitleeswaarden over de tijd met elkaar te vergelijken kan de verplaatsing bepaald worden. Dit kost echter veel uitleeswerk.
Figuur 4.3: Een fotodiode array: de S4111-16Q van Hamamatsu Photonics [20].
16
4. O NTWERPPROCES
F OTODIODE M ATRIX Een fotodiode matrix is in feite een tweedimensionale uitvoering van de single diode array. Het voordeel van de fotodiode matrix is dat het oppervlak vergroot is waardoor een afwijking in de initialisatie kan worden gecompenseerd door een ‘region of interest’ te kiezen. De uitlijning van de lichtspot is zo veel minder van belang. P OSITION S ENSITIVE D ETECTOR (PSD) Een PSD (Position Sensitive Detector/Device) is een isotrope sensor waarmee de positie van een lichtspot, op basis van de gemeten stromen aan de zijden, te bepalen is. Deze zijn in 1D en 2D te verkrijgen. Bij de eendimensionale vorm zijn er twee stromen uit te lezen waaruit de positie in één richting te bepalen is. Een tweedimensionale PSD kan de positieverandering in twee richtingen bepalen door vier verschillende stromen uit te lezen. Het voordeel van een tweedimensionale PSD is, net als bij de fotodiode matrix, dat uitlijning een kleinere rol speelt dan in het eendimensionale geval.
Figuur 4.4: Een eendimensionale Position Sensitive Device (PSD): de S3931 van Hamamatsu Photonics [21].
4.2.3. C APACITIEF Er zijn ook een aantal capacitieve oplossingen mogelijk. Met capaciteiten is een verplaatsing heel gemakkelijk uit te lezen. Ze zijn robuust, klein en kunnen kleine veranderingen met hoge betrouwbaarheid meten. Door simpelweg twee geleidende platen met een (lucht)spleet ertussen tegenover elkaar te plaatsen is al een sensor gebouwd. De capaciteitswaarde kan bepaald worden met de formule ²0 ²r A (4.1) d met C de capaciteit, ²0 de permittiviteit van vacuüm, ²r de relatieve permittiviteit van het diëlektricum, A het overlappende oppervlakte van de platen en d de afstand tussen de platen. Zodra de afstand tussen de platen verandert zal de capaciteitswaarde omgekeerd evenredig mee veranderen. Naast dat de afstand te veranderen is, is met een iets andere opstelling bijvoorbeeld ook het oppervlak dat tegenover elkaar ligt te veranderen. Deze verandering is rechtevenredig met met de capaciteitswaarde en is te relateren aan een verplaatsing in positie. De capaciteitswaarde is dus afhankelijk van zowel de afstand als het overlappende oppervlak van de capaciteitsplaten. Het is niet gemakkelijk om een simpele, doch robuuste opstelling te maken waarbij de afstand en het oppervlak onafhankelijk van elkaar zijn. C=
4.2.4. K EUZE De keuze lag in eerste instantie bij het gebruik van de FBG sensor om de doorbuiging te meten. Dit omdat het systeem nauwkeurig is en gemakkelijk te bevestigen zou zijn door een leek, doordat het meetgevoelige deel van de sensor bestaat uit de glasvezelkabel die op de roeipaal geplakt dient te worden. Helaas staat de techniek achter FBG sensoren nog grotendeels in de kinderschoenen. De techniek is nu nog te groot, te zwaar en te duur. In de nabije toekomst komt er wel een nieuwe kleine versie van de integrator, maar dit ligt nog niet binnen het bereik voor de bachelor thesis. Dan blijven er nog twee principes over om uit te kiezen: lichtbron i.c.m. ontvanger en capacitief. De vooren nadelen van beide systemen wegen tegen elkaar op. Er is gekozen voor het lichtbron i.c.m. ontvanger
4.3. O NZE SENSOR
17
principe omdat deze naar verwachting minder tijd kost dan het ontwerpen van de capacitieve sensor, gezien de beperkte tijd voor dit project. Voor de ontvanger is de keuze gevallen op een PSD, aangezien deze een eenvoudige lichtspot en weinig rekenkracht nodig heeft om een verplaatsing te bepalen. De uiteindelijke keuze is dus gevallen op de lichtbron i.c.m. een PSD.
4.3. O NZE SENSOR Het ontwerp van de uiteindelijke sensor is stapsgewijs gedaan. Omdat er weinig ervaring was met het werken met PSD’s is er eerst een onderzoek gedaan naar de eigenschappen van een PSD. Aan de hand van deze resultaten is een versterkerschakeling gebouwd. Hierna is er gekeken naar de verwerking van deze data om het signaal te digitaliseren en het vervolgens te kunnen bewerken en versturen. Het ontwerp dat volgt uit het samenvoegen van onderstaande onderdelen zal nog afwijken van het uiteindelijke product omdat er is gekozen om het prototype te ontwikkelen aan de hand van een Arduino terwijl het eindproduct gebruik gaat maken van een andere microcontroller. Dit alles wordt in dit hoofdstuk besproken.
4.3.1. PSD Het actieve gebied van een PSD heeft een PN-junctie die een lichtstroom (photocurrent) genereert door middel van het photovoltaïsche effect. Figuur 4.5 laat een doorsnede van de PSD zien [22]. De PSD heeft een P-type resistieve laag bovenop een N-type hoog-resistieve silicoon substraat. De P-laag gedraagt zich als een actief gebied voor foto-elektrische conversie en twee elektrodes zijn verbonden op beide uiteinden van de Plaag. Op de N-laag is een gemeenschappelijke elektrode verbonden. Wanneer een lichtspot op de PSD komt, wordt er een elektrische lading proportioneel aan de lichtintensiteit gegenereerd op de invallende plek. Deze lading gaat door de resistieve laag en wordt opgevangen bij de uitgangelektrodes X 1 en X 2 als lichtstroom. De hoeveelheid stroom opgevangen door een elektrode is invers proportioneel met de afstand tot het massamiddelpunt van de ingevallen lichtspot.
Figuur 4.5: Een doorsnede van een PSD.
Als de verplaatsing in twee richtingen gemeten moet worden kan de verplaatsing van de lichtspot uitgerekend worden met vergelijking 4.2 I 2 − I 1 2X A = (4.2) I1 + I2 LX met I 1 en I 2 de uitgangsstromen verkregen van respectievelijk de elektrodes X 1 en X 2 , L X de lengte van de PSD en X A de positie van de lichtspot ten opzichte van het midden van de PSD. Als de verplaatsing echter maar in een richting gemeten hoeft te worden, dan kan er gebruik gemaakt worden van vergelijking 4.3 waarbij het einde van de PSD als oorsprong wordt genomen. I 2 − I 1 2X B − L X = I1 + I2 LX
(4.3)
In Figuur 4.6 zijn twee versimpelde weergaven van een eendimensionale PSD te zien. Hierin is P de stroomgenerator, C een ideale diode, C j de junctiecapaciteit, R sh de shuntweerstand en R p de positioneringsweerstand.
18
4. O NTWERPPROCES
Figuur 4.6: Een structuurdiagram (links) en een equivalent circuit (rechts) van een eendimensionale PSD.
Er is in eerste instantie gekozen voor een tweedimensionale PSD. Dit zorgt ervoor dat er een kleinere nauwkeurigheid nodig is bij het uitlijnen tijdens de installatie op de riem dan bij een ééndimensionale. Echter, doordat er geen mogelijkheid was om er een te kopen binnen aanzienbare tijd, is er gekozen om verder te gaan met een eendimensionale vorm. Door een gebrek aan bestel-/levermogelijkheden heeft dit uiteindelijk geleid tot de aankoop van de S3931 van Hamamatsu Photonics [23]. Deze heeft een actief gebied van 1 bij 6 millimeter. Hij is het gevoeligst bij een lichtbron met een golflengte tussen de 600 en 950 nanometer en bij uitstek bij 920 nm. Hierbij genereert hij ongeveer 0,6 ampère per watt.
4.3.2. L ICHTBRON Voor de lichtbron is er gekozen tussen een Light Emittion Diode (LED) en een laser. De laser heeft als voordeel dat de lichtbron (idealiter) rechtlijnig is en geen divergentie vertoont. Voor de goedkopere modellen is dit echter vaak niet het geval. Soms zijn deze lasers zelfs gewoon LEDjes die met behulp van lenzen rechtlijnig worden gemaakt. LEDs hebben als voordeel dat ze energiezuiniger, goedkoper en gemakkelijker aan te sluiten zijn (geen driver circuit nodig zoals bij een laser). Er is daarom in eerste instantie gekozen voor een LED. De golflengte waarop de LED moet werken is idealiter 920 nanometer. Dit is infrarood licht. Aangezien infrarood licht niet zichtbaar is voor het menselijk oog, wordt het uitlijnen op de PSD lastig. Daarom is er gekozen voor een LED die rood licht uitzendt. De LED die gekozen is, is de TLDR5800 van Vishay Semiconductors. Deze heeft een gebundelde rode lichtstraal met een golflengte van 648 nm en een halveringsintensiteit bij 4◦ . Een nadeel is dat hij 32 milliampère aan stroom verbruikt (bij een weerstand van 100Ω). Dit is ten opzichte van de rest van het systeem relatief hoog. De LED wordt aangesloten met een simpel circuitje zoals te zien is in Figuur 4.7. Later in het ontwerpproject, rond de tijd van het bouwen van het prototype, is er teruggekomen op de keuze van de LED. Tijdens de afstandsmeting, zoals te lezen in paragraaf 5.3.3, is naar voren gekomen dat de LED geen ideale lichtspot geeft. Daarnaast is de LED niet sterk genoeg om grotere afstanden tussen PSD en lichtbron te overbruggen. De laser heeft een gelijkmatiger verdeelde lichtintensiteit in zijn lichtspot en kan grotere afstanden overbruggen dan de LED. Met deze nieuwe opgedane kennis is de laser nogmaals overwogen. De nadelen van de laser wegen niet meer tegen de voordelen op. Daarom is er vervolgens alsnog gebruik gemaakt van een laser. De gebruikte laser is ter beschikking gesteld door de entrepeneur. Het is echter onbekend om welke laser dit gaat. Wegens een tekort in tijd en het oog op een werkend prototype is geen onderzoek gedaan naar een optimale lichtbron. Met deze laser is de stroom die door de PSD gegenereerd wordt niet meer constant. Aangezien dit bij de LED niet het geval was, wordt er geconcludeerd dat de laser een dalende lichtintensiteit bij langer gebruik heeft. Zo wordt het volledige bereik van de ADC na verloop van tijd niet meer optimaal benut. Als de meting opnieuw wordt uitgevoerd na een paar minuten uit te hebben gestaan, dan is de intensiteit weer op volledige grootte. De voedingsspanning blijft hierbij constant, waardoor het vermoeden wordt gewekt dat de intensiteit afneemt door warmteontwikkeling.
U ITLIJNING Omdat een goede uitlijning van groot belang is voor het systeem, aangezien het systeem het niet doet als de lichtbron niet op de PSD schijnt, is er een manier bedacht om de uitlijning minder cruciaal te maken
4.3. O NZE SENSOR
19
Figuur 4.7: Een schematische weergave van de schakeling van de LED.
en de nauwkeurigheid van de PSD te vergroten. Door de lichtbundel van de lichtbron door een gleuf in een tussenschot te laten vallen wordt een deel van de bundel tegengehouden waardoor een rechte streep overblijft. Hierdoor is er een meer geconcentreerde bundel die op de PSD valt en is er verschuiving in lijn met de bundel mogelijk zonder dat er opnieuw moet worden uitgelijnd. Er zijn een aantal parameters die bepaald moeten worden voor een optimale werking van de gleuf. De dikte van de gleuf bepaalt de grootte en daardoor de intensiteit van de invallende lichtbundel op de PSD. De afstand van de lichtbron tot de gleuf en de afstand van de gleuf tot de PSD zijn bepalend voor de coherentie van de bundel. In paragraaf 5.3 is onderzoek gedaan naar deze parameters. Hieruit is naar voren gekomen dat de gleuf in de buurt van de PSD moet zitten om zo veel mogelijk hoogte componenten uit de lichtbundel te halen en zo een dunnere streep op de PSD te bewerkstelligen. Daarnaast moet de gleuf meebewegen met de verplaatsing van de lichtbron die plaatsvindt door een doorbuiging. Uiteindelijk is er gekozen voor een gleufdikte van 0,2 mm, aangezien deze ook wordt gebruikt in de datasheet van hamamatsu [23].
4.3.3. V ERSTERKERSCHAKELING Aangezien de PSD een stroom produceert als signaal, zal dit moeten worden geconverteerd naar een spanning om het te kunnen uitlezen en versturen met een microcontroller. Hiervoor wordt een transimpedantieversterker gebruikt. In eerste instantie was er een schakeling ontworpen die gebruik maakt van de OPA381 Op-Amp die is ingesteld voor transimpedantieversterking met een grote bandbreedte. Helaas bleek later dat vanwege de diodeconfiguratie binnen de PSD (een gemeenschappelijke kathode) deze Op-Amp niet bruikbaar is, omdat er een negatieve spanning moet worden geproduceerd. Er zal nu zelf een transimpedantieschakeling moeten worden ontworpen. Het ontwerp berust op een twostage versterkerschakeling waarbij de eerste stage de functie van een transimpedantieversterker draagt en de tweede stage die van een inverterende versterker. Om deze schakeling te realiseren wordt gebruik gemaakt van de veelgebruikte TL074ACN Op-Amp in combinatie met een 1,8 pF condensator in de feedbackloop. De TL074ACN voldoet niet aan de werktemperatuur specificatie. Hij werkt namelijk niet op het temperatuurbereik van -5◦ C tot 50◦ C maar op 0◦ C tot 70. De TL074 versies met het I of M achtervoegsel werken wel in het goede temperatuurbereik. Er is echter toch gebruik gemaakt van de TL074ACN omdat deze al aanwezig was en er zo geen component gekocht hoefde te worden. Afgezien van het temperatuurbereik werken ze ieder exact hetzelfde. In Figuur 4.8 is de schakeling gevisualiseerd. Zoals in paragraaf 5.2 is beschreven, produceert de PSD een signaal van maximaal 9,2 µA bij kamerlicht dat geconverteerd moet worden. Er is bij kamerlicht gemeten, aangezien er op dit moment van ontwerpen nog geen meting gedaan kon worden waarbij de gekozen lichtbron op de PSD schijnt. De ADC, die in paragraaf 4.3.4 wordt besproken, maakt gebruik van een ingangsbereik van 0 V tot 2,1 V. De totale maximaal benodigde versterking van de versterker kan aan de hand van deze parameters met vergelijking 4.4 bepaald worden. V er st er ki ng =
Spanni ng ADC St r oom P SD
(4.4)
Dit komt neer op een versterking van ongeveer 230.000 Ω. Voor het testen met de Arduino, zoals wordt besproken in paragraaf 4.3.6 is een groter ingangsbereik. Daarom heeft het gebruikte circuit een grotere ver5 sterking nodig. Deze versterking zou 9,2µ ≈ 540.000Ω moeten zijn. Aan de hand van meetresultaten is een versterking van een miljoen Ω gekozen om een sterk ingangssignaal in de Arduino te verkrijgen. Dit verschilt
20
4. O NTWERPPROCES
Figuur 4.8: Een schematische weergave van de versterkerschakeling.
met de berekende waarde, aangezien de LED in de testopstelling zoals te zien is in Figuur 5.5 minder licht op de PSD doet schijnen dan het kamerlicht. Dit zorgt voor een kleinere stroom en dus voor een grotere benodigde versterkingsfactor. In paragraaf 5.2 is te lezen dat de PSD bij weerstand hoger dan 100 kΩ begint te satureren. Om hier geen last van te ondervinden, wordt de totale versterking verdeeld over de twee trappen. De eerste trap zal een versterking van 10.000 keer verzorgen en de tweede trap nogmaals 100 keer. Omdat deze versterkerschakeling echter nog ruispieken heeft, is er vervolgens nog een extra capaciteit over de Op-Amp van de tweede stage gezet. Deze moet ongewenste frequenties filteren. Dit maakt van de invertor stage een actief laagdoorlaatfilter. De kantelfrequentie is, in overleg met de technisch begeleider1 , allereerst gekozen op 100Hz. Deze waarde was voor nu voldoende om een stabiel signaal te verkrijgen. Met vergelijking 4.5 is dan de waarde van de benodigde capaciteit te bepalen. fc =
1 2πRC
(4.5)
met R de 100kΩ weerstand. Dit komt neer op een capaciteit van ongeveer 16 nF. Er is vervolgens een capaciteit van 15,3 nF over de Op-Amp van de tweede stage gezet, omdat hier beschikking over was. Zo verdwijnen de grote ruispieken en wordt het signaal stabieler.
4.3.4. ADC Er gaan twee signalen van de PSD naar de (nog nader te bepalen) microcontroller. Deze signalen moeten van analoog naar digitaal omgezet worden. Dit moet gedaan worden met een analoog naar digitaal omzetter (ADC). Er is afgesproken dat de ADC een Seriële Peripherale Interface (SPI) moet hebben. De gekozen ADC is de MCP3202: de goedkoopste duaal kanaal 12 bit ADC met SPI seriële interface te verkrijgen op farnell.nl. Deze heeft een typische actieve stroom van 375 µA en een sampling rate van tussen de 50 en 100 kilosamples per seconde (ksps), afhankelijk van de aangesloten spanning. Het uiteindelijke input-spanningsbereik is aan te passen aan de voedingsspanning door middel van formule 4.6. De verstekerschakeling kan niet rail-to-rail versterken, maar heeft een typische ‘maximale piek uitgangs-spanningszwaai’ van 13,5 V bij een voedingsspanning van 15 V. Daarom is er gekozen voor een spanningsbereik van VDD − 1, 5V . VDD is hierin de maximale spanning die de voeding kan leveren, wat verder besproken wordt in paragraaf 4.3.5. Di g i t alOut putC od e =
4096 ∗ Vsi g naal VDD
(4.6)
4.3.5. V OEDING N EGATIEVE SPANNINGSREGULATOR De TL074ACN Op-Amps besproken in paragraaf 4.3.3 hebben een negatieve spanning nodig om te functioneren. Om deze te creeëren zal er gebruikt gemaakt worden van de LMC7660 van Texas Instruments. De LMC7660 is een veel gebruikte CMOS spanningsregulator om uit een positieve spanning een negatieve spanning te creëren. Hij heeft een breed functioneel bereik (1,5 V tot 10 V) en een laag verbruik van maximaal 200 µA. Daarnaast is hij in staat om met 95% efficiëntie de spanning te converteren. 1 Jeroen Bastemeijer:
[email protected]
4.3. O NZE SENSOR
21
S PANNINGSBRON De spanningsbron is niet al van te voren in de systeemeisen vastgelegd, maar wordt ontworpen aan de hand van de hoeveelheid stroom die de afzonderlijke onderdelen trekken. Dit zorgt ervoor dat er continu in het ontwerpproces wordt nagedacht over de meest efficiënte keuze. In Tabel 4.1 is een opsomming gegeven van de aanwezige componenten in het systeem. Onze uiteindelijke voeding zal dus een spanning moeten kunnen leveren tussen de 2,7 V en 3,6 V. Daarnaast zal een stroom moeten kunnen worden geleverd van 48,7 mA. Vanuit de systeemeisen volgt dat onze sensor het 10 uur vol moet kunnen houden. Dit betekend dat de uiteindelijke voedingsbron een capaciteit moet hebben van 487 mAh. De 3/VH700LSWC is de uiteindelijk gekozen spanningsbron omdat hij zowel aan alle eisen voldoet en de goedkoopste is. De 3/VH700LSWC is oplaadbaar, levert een spanning van 3,6 V en heeft een capaciteit van 730 mAh. Tabel 4.1: Overzicht spanningen en opslag-/werk temperaturen van de componenten
Component
Min spanning [V]
Max spanning [V]
Stroom [mA]
Opslag temp [◦ C]
Werk temp [◦ C]
LED Op-Amp ADC Spanningsregulator Microcontroller
1,8 -18 2,7 1,5 1,8
2,2 18 5,5 10 3,6
32,0 1,4 (4x) 0,4 0,2 10,5
-55 tot 100 -65 tot 150 -40 tot 85 -65 tot 150 -40 tot 125
-40 tot 100 0 tot 70 -40 tot 85 -65 tot 150 -25 tot 75
4.3.6. M ICROCONTROLLER Om het gegenereerde signaal te kunnen versturen via Bluetooth is een microcontroller nodig. De keuze van deze microcontroller ligt buiten de scope van deze thesis. Dit wordt behandeld in de thesis van K. Schaper en B. Oosterhuis [24]. De microcontroller die door hen is gekozen, is de NRF51822 vanwege zijn Bluetooth mogelijkheden. Er is gekozen om het prototype te ontwikkelen met behulp van een Arduino omdat de Arduino gemakkelijk in gebruik en veelzijdig is. A RDUINO Voor het testen zal niet de NRF51822, maar de Arduino gebruikt worden. Het voordeel van de Arduino is dat deze erg veelzijdig is. Hij is gemakkelijk uit te lezen via de seriële monitor en heeft al een ingebouwde ADC. Hierdoor kunnen er gemakkelijk wijzigingen worden doorgevoerd in de ontwerpfase. De Arduino bezit standaard over een 10 bit ADC en heeft een spanningsbereik van 0-5 V. De versterkerschakeling wordt in eerste instantie ontworpen voor deze ADC en dit spanningsbereik. Op de Arduino is de code geplaatst zoals die te lezen is in Appendix D. Er is nog meer precisie te halen door de werkelijke weerstandswaarde te meten en in de code te verwerken, in plaats van de toegezegde fabriekswaarde te gebruiken. Dit is echter voor het eindproduct dat in grotere getalen geproduceerd moet worden geen optie.
4.3.7. I NTEGRATIE ONDERDELEN Als alle onderdelen bij elkaar gezet worden, komt het gehele systeem er uit te zien zoals te zien is in Figuur 4.9 en een ander schema in Figuur E.1 in Appendix E. De spanningsbron levert een spanning van 3,6 volt waar zowel de lichtbron, de negatieve spanningregulator en de Op-Amps op werken. Het licht van de lichtbron gaat door een gleuf in het tussenschot die een lichtstreep op de PSD laat vallen. De PSD genereert vervolgens twee stromen die qua grootte afhankelijk zijn van de positie van de lichtstreep en de lichtintensiteit. De OpAmps zetten de stroom om naar een spanning en versterken deze. De spanning wordt door de ADC omgezet naar een digitale waarde die de microcontroller uit kan lezen. Voor het testen wordt de Arduino gebruikt in plaats van de ADC en microcontroller. B EHUIZING Voor het eindsysteem is het idee om de lichtbron met lichtgleuf in één blok te plaatsen waardoor de gleuf meteen meebeweegt met de lichtbron. Een aantal centimeter verderop, meer richting de manchet, komt dan een apart blok met eerst de PSD en daarachter de microcontroller, de ADC en de spanningsbron. Om dit geheel komt vervolgens nog een robuuste, stofvrije en waterdichte behuizing. Bijvoorbeeld de 1555-F serie van Hammond [25].
22
4. O NTWERPPROCES
Figuur 4.9: Een schematische weergave van het complete systeem.
P LAATSING Het eindproduct wordt aan kant van de manchet geplaatst waar ook het blad zich bevindt. Op het uiteindelijke ontwerp zou het ook aan de andere kant van de manchet kunnen, maar met de huidige meetopstelling is dat niet mogelijk. Sommige opties kunnen ook in de riem geplaatst worden waardoor het niet aan externe invloeden onderhevig is, maar dat maakt het vervangen in geval van gebreken lastiger. Dan is bovendien de levensduur van het meetsysteem wellicht afhankelijk van de levensduur van de riem. B EVESTIGING Het prototype is met behulp van slangklemmen op de riem bevestigd, zodat het gemakkelijk geplaatst en gedemonteerd kan worden en bovendien de riem niet beschadigd. Het uiteindelijke systeem zal net als het prototype met klemmen bevestigd worden. Deze bevestigingswijze kan (minimale) kruip ondervinden. Dit kan ervoor zorgen dat opeenvolgende krachtmetingen een andere uitkomst geven.
4.3.8. P ROTOTYPE Er is ten tijde van dit schrijven een eerste prototype op de riem gebouwd (zie Figuur 4.10). Er is met beide lichtbronnen aan het prototype gemeten. Bij het meten met de LED kwam al snel naar voren dat er een compromis moet worden gesloten tussen de afstand tussen de PSD en de LED, en de nauwkeurigheid. Als de LED dicht bij de PSD geplaatst werd (op een afstand van 19 mm), was er genoeg signaal om te verwerken, maar helaas was de uitwijking op de PSD dan te klein om te meten. Wanneer de afstand tussen de PSD en LED werd vergroot naar 41 mm, daalde de signaalsterkte drastisch en werd de scherpe lijn vanuit de gleuf in het tussenschot steeds vager. Op dit moment werd besloten de LED in te ruilen voor de laser omdat deze een veel hogere intensiteit en een minder diffuse lichtbundel heeft. Bij gebruik van de laser is een scherpe lichtspot op de PSD te zien (Figuur 4.11). Deze scherpte blijft bij meerdere afstanden tussen de PSD en laser zichtbaar. Bij de test met de laser (zie paragraaf 5.4.2) is er variatie in de uitgelezen waarden te zien. De variatie in de meting is mogelijkerwijs het gevolg van omgevingslicht dat nog in de doos komt. Als er gewichten aan de riem worden gehangen en vervolgens verwijderd, wordt er bij eenzelfde uitgeleverde kracht een andere waarde gemeten. Deze verandering is potentieel het gevolg van kruip. De slangklemmen kunnen onder invloed van kracht een klein beetje verschuiven. Er zijn uiteindelijk twee metingen met twee verschillende afstanden tussen de PSD en de lichtbron uitgevoerd (zie paragraaf 5.4 voor de meetresultaten). Hieruit is gebleken dat de sensor nog niet stabiel is. Er heerst variatie van meetresultaten van een constante meting en de toename in afstand per kilogram is niet constant. Door de meetresultaten te middelen is een tijdelijke conversiefactor voor de sensor bepaald. Voor een meting met een afstand van 51 cm tussen de PSD en lichtbron is een conversiefactor van 8,69 newton per verplaatsing gevonden. Deze conversiefactor heeft binnen het gemeten bereik en onnauwkeurigheid van 2,66%. De verplaatsing heeft een afwijking van het gemiddelde van 0,42%. Dit valt nog niet binnen de specificaties.
4.3.9. KOSTENPLAATJE De totale componentkosten voor het prototype zullen rond de 50 euro liggen. De componenten van het uiteindelijke product kunnen, als ze in grotere aantallen gekocht worden bij dezelfde verkoper, voor onder de 30 euro gekocht worden. Hierbij wordt uitgegaan van een andere PSD, aangezien er goedkopere op de markt
4.3. O NZE SENSOR
23
Figuur 4.10: Het eerste prototype op de riem. De regelbare spanningsbron staat niet op de foto.
Figuur 4.11: De lichtspot van de laser op de PSD.
zijn. De kosten van de arbeid zijn niet meegerekend. Zie Tabel 4.2 voor een overzicht van de componentkosten.
24
4. O NTWERPPROCES
Tabel 4.2: Overzicht van de componentkosten van het gemaakte prototype en de componentkosten als ze grotere getalen op dezelfde site gekocht worden.
Component
Omschrijving
Aantal
Kosten prototype
Kosten massaproductie
Verkoper
LED PSD Op-Amp ADC Negatieve Spanningsregulator Voeding3 Microcontroller3 Printplaat (schatting) Capaciteiten
TLDR5800 S3931 TL074 MCP3202 LMC7660 3/VH700 L S WC NRF51822
1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 4 2 4 2 1 1
€ 0,250 € 32,900 € 0,720 € 2,350 € 0,600 € 3,145 € 1,980 € 0,000 € 0,056 € 0,050 € 0,088 € 0,006 € 0,012 € 5,980 € 0,740 € 0,000 € 0,500
€ 0,090 € 14,4202 € 0,270 € 1,620 € 0,290 € 2,535 € 0,890 € 4,000 € 0,024 € 0,022 € 0,036 € 0,004 € 0,008 € 1,430 € 0,000 € 3,945 € 1,000
nl.farnell.com distrilec nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.mouser.com
€ 49,377
€ 29,579
Weerstanden Slangklemmen Behuizing3 Overig (schatting)
1,8 pF 15,3 nF 10 µF 1 kΩ 100 kΩ 40-60 mm 30-40 mm Hammond 1555-F
Totaal
2 Een 2D PSD: de S7848-01 als besteld bij uk.rs-online.nl. 3 De helft van de koopkosten zijn gerekend, aangezien het gedeeld wordt met het hoekmeetteam.
nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com nl.farnell.com
5 M EETRESULTATEN Dit hoofdstuk beschrijft de behaalde meetresultaten van zowel metingen gedaan tijdens het ontwerpproces als metingen na integratie van alle afzonderlijke onderdelen.
5.1. L INEARITEITSMETING Er is begonnen met het meten aan de doorbuiging van de riem. Als de doorbuiging met de krachtsensor gemeten gaat worden moet er een goed begrip zijn van met wat voor doorbuiging een riem te maken kan hebben. De vragen die gesteld werden zijn: • Buigt de riem lineair onder invloed van grotere krachten, dus vindt bij een grotere kracht een evenredig grotere doorbuiging plaats? • Is de uitwijking bij elke opeenvolgende en gelijke toename van massa even groot als bij de vorige toename? • Hoe verhoudt de doorbuiging zich op verschillende plekken op de riem? De riem is met lijmklemmen op een tafel langs een stalen balk gelegd. Op de stalen balk is een plankje bevestigd dat zich boven de riem bevindt. In de plank zitten drie gaten. Deze gaten bevinden zich op verschillende afstanden tot het draaipunt van de riem. Ze zitten op 50, 100 en 150 mm van het einde van de plank. Met behulp van een schuifmaat is de afstand van de riem tot en met de bovenkant van de plank te meten. Vervolgens zijn er verschillende gewichten van nul tot 25 kilogram met stappen van ongeveer een kilogram rond het blad aan de riem gehangen. Met behulp van een krachtmeter is de exacte kracht op de riem uitgelezen. Na elke toename van een kilogram is er gemeten hoe ver de riem doorbuigt op de drie verschillende punten. Zie Figuur 5.1 ter verduidelijking. Deze meting is twee keer gedaan. De eerste keer op 62 cm van het witte manchet tot het einde van de plank en een keer op 24 cm van de witte manchet tot het einde van de plank. Zo zijn er zes meetresultaten ontstaan, respectievelijk op 57, 52, 47, 19, 14 en op 9 centimeter afstand van de witte manchet. De meetopstelling van meting twee was niet geheel gelijk te krijgen aan die van meting 1 doordat het manchet tijdens meting 2 niet op de opstelling rust. Er is hierdoor een constante uitwijkingsfout bij meting 2 waarmee rekening moet worden gehouden. Omdat de metingen gebruikt worden om de relatieve buiging te bepalen, heeft dit geen gevolgen voor de gevonden resultaten. Figuur C.1 in Appendix C laat zien dat de riem lineair doorbuigt bij een vergroting van de krachten op de riem. Daarnaast is er een groot verschil in steilheid te zien tussen meting 1 en meting 2. Hieruit blijkt dat er meer buiging optreedt richting het midden van de roeiriem. Bij de eerste meting doorkruisen de drie lijnen zich rond de 5 kilogram. Dit komt doordat de riem bij de opstelling lichtjes omhoog stond en niet geheel vlak aan het tafeloppervlak. Als er gekeken wordt naar Figuur C.2 en Figuur C.3 in Appendix C, dan valt te zien dat de uitwijking bij elke opeenvolgende kilogram die eraan wordt gehangen afneemt. Bij de eerste meting op de grotere afstand van het draaipunt is dit het duidelijkst te zien. Hierbij moet worden opgemerkt dat er ook negatieve opeenvolgende uitwijkingen gemeten zijn. Wanneer deze buitenbeschouwing worden gelaten, dan wordt ook hier een dalende trendlijn gevonden. De uitwijkingen t.o.v. de vorige metingen zijn minder groot bij een grotere massa. Uit de dalende trendlijn komt het vermoeden dat de riem niet lineair doorbuigt. Echter, wat opvalt is 25
26
5. M EETRESULTATEN
1
2 34
5
Figuur 5.1: De opstelling tijdens de lineariteitsmeting. De pijlen geven de volgende punten aan: 1) Het buigpunt; 2) Meetgat op 150 mm afstand tot het einde van de plank; 3) Meetgat op 100 mm afstand tot het einde van de plank; 4) Meetgat op 50 mm afstand tot het einde van de plank; 5) Aanhangpunt van de gewichten.
Figuur 5.2: De meting aan de PSD in “Voltage mode”.
Figuur 5.3: De meting aan de PSD in “Reverse bias”.
dat de waarden erg schommelen en of de variaties niet allemaal aan uitleesfouten verweten kunnen worden. Er zou een betere meting gedaan moeten worden om dit vermoeden te bevestigen. Wanneer naar Figuur C.1 wordt gekeken zien we dat de uitwijking desondanks grotendeels linear is met de massa. We veronderstellen een lineariteit tussen de uitwijking en de massa voor het onderzoek. Na het verwijderen van de gewichten is bij de tweede meting de afstand van riem tot plank echter nogmaals gemeten en het meetresultaat vergeleken met de eerste meting zonder gewicht was zo minimaal, dat de hysterese verwaarloosbaar klein wordt geacht.
5.2. PSD Van de PSD is er gemeten wat het bereik is van de stroom die hij levert. Hiervoor is de PSD in twee verschillende meetopstellingen gemeten. De eerste meetopstelling was zoals te zien is in Figuur 5.2. Er is gemeten met weerstandswaarden variërend tussen de 1200Ω en de 10MΩ (zie Tabel 5.1). Dit is echter geen ideale meetopstelling aangezien de PSD bij een grotere weerstand in spanningmode komt. Dan gaat hij zich als een spanningsbron gedragen, in plaats van als een stroombron. De opstelling is vervolgens veranderd naar die van Figuur 5.3. Ook hier is weer gemeten met verschillende weerstandswaarden. Bij hogere weerstanden (richting de MΩ) staat de volle vijf volt over de weerstand en is het alsof de PSD is kortgesloten. Bij weerstandswaarden van 1, 10 en 100 kΩ genereert de PSD ongeveer 9,2 microampère bij kamerlicht (zie Tabel 5.2).
5.3. S ENSORSYSTEEM
27
Tabel 5.1: De meting aan de PSD zoals te zien in Figuur 5.3.
Tabel 5.2: De meting aan de PSD zoals te zien in Figuur 5.2.
R [Ω]
V [V]
I [µA]
R [Ω]
V [V]
I [µA]
200 1.200 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000
0,003 0,015 0,107 0,34 0,34 0,34
15 12,5 10,7 3,4 0,34 0,034
1.000 10.000 100.000 1.000.000 10.000.000
0,0092 0,092 0,943 5,15 5,23
9,2 9,2 9,43 5,15 0,523
5.3. S ENSORSYSTEEM Om de sensor te ontwerpen, zijn een aantal basismetingen van belang. Er zijn een aantal vrije parameters waar meer informatie over nodig is, bijvoorbeeld het effect van een tussenschot met een gleuf om de lichtstraal en de positie van dit tussenschot tussen de PSD en de lichtbron. Hier wordt in deze paragraaf dieper op ingegaan.
5.3.1. G LEUFGROOTTEMETING De LED schijnt met een lichtstraal van 4◦ . Dit is redelijk recht naar voren, maar nog niet goed genoeg. Het belicht namelijk de hele PSD. Hetzelfde geldt voor de laser; deze geeft ook een lichtspot die de hele PSD belicht. Er is in een kunststof plaatje een aantal snedes van verschillende diktes laten lasersnijden. Er zijn diktes van 0,2; 0,4; 1,0; 1,4 en 1,8 millimeter gemaakt. Door het licht door een van deze snedes te laten schijnen wordt de lichtbundel rechtlijniger en zal het niet de hele PSD belichten, maar slechts een streep daar op. Bij een dunnere streep is er een grotere nauwkeurigheid van verplaatsing meetbaar. Er moet echter wel genoeg licht door de gleuf op de PSD vallen om om te zetten in een stroom. Er is gekeken met de laser wat een rechte streep geeft. Bij het vergelijken van de verschillende diktes kon meteen al geconcludeerd worden dat de twee grootste diktes (1,4 en 1,8 mm) duidelijk te groot zijn. Deze lieten genoeg licht door wat er voor zorgde dat de lichtspot nog steeds rond was. Bij de laser is met 0,2 millimeter een duidelijke rechte lichtstreep op de PSD te zien (zie ook Figuur 4.11 van paragraaf 4.3.8). Hij is hierbij nog fel genoeg en tevens ook dun genoeg om een kleine verplaatsing mee te kunnen meten. In de datasheet is ook een lichtspot van twee millimeter gebruikt en de maximale positie detectie fout is hierbij 0,120 millimeter. Deze kan echter met behulp van de kleinste-kwadratenmethode teruggebracht worden naar 9 micrometer. De LED verzorgt hierbij echter nog steeds geen rechte streep. Bij de dikkere snedes is de lichtspot van de LED nog ronder. Deze zijn dus nog minder wenselijk. 5.3.2. G LEUFPLAATSINGSMETING De meetopstelling om de positie van de gleuf te bepalen is te zien in het bovenste deel van Figuur 5.4. Hierbij is een Simson vorkuitzetter gebruikt als nauwkeurige afstandsverplaatser. Deze bestaat uit een schroefdraad met op het uiteinde een grote ‘vleugelmoer’ waarmee een blokje heen en weer te verplaatsen is. De opstelling is in een doos geplaatst waardoor hij afgesloten kan worden van omgevingslicht. Er is gemeten hoeveel slagen met de vleugelmoer overeenkomt met een verplaatsing van 6,5 centimeter, de afstand die aangegeven staat op de vorkuitzetter. Dit blijkt 51,5 slagen te zijn. Verder is gesteld dat de maximale precisie die met het oog gedraaid kan worden een achtste van een draai is. Met een simpel rekensommetje is vast te stellen dat een achtste slag overeenkomt met een verplaatsing van 0,16 millimeter. Bij de meetopstelling zijn de posities van de LED en de PSD als vast verondersteld. Het tussenschot met gleuf is vervolgens tussen hen beiden in heen en weer verplaatst. Uit deze meting is naar voren gekomen dat de gleuf vlak bij de PSD moet zitten om voor een smalle lichtstreep te zorgen. 5.3.3. A FSTANDSMETING Bij de afstandsmeting is bijna dezelfde opstelling als die van de gleufplaatsingsmeting gebruikt. Hier zijn echter de positie van de PSD en tussenschot als vast verondersteld (zie het middelste deel in Figuur 5.4). Hierna is de afstand van de LED veranderd. Hierbij komt duidelijk naar voren dat de LED een variërende lichtsterkte in zijn lichtspot heeft. Op verschillende afstanden is een ander patroon in de lichtvlek te zien. Het interne circuit in de LED zorgt bijvoorbeeld op een bepaalde afstand voor een zwarte cirkel in het midden van de lichtspot. Dit zorgt ervoor dat er bij een constante verandering in doorbuiging geen constante verandering
28
5. M EETRESULTATEN
1 2 3 1 2 3
1 2 3 Figuur 5.4: De drie meetopstellingen. De gleufplaatsingsmeting (boven), de afstandsmeting (midden) en de verplaatsingsmeting (onder). De pijlen geven de volgende onderdelen aan: 1) De PSD; 2) Het tussenschot met gleuf; en 3) Het verplaatsbare blokje van de vorkuitzetter met de LED erop.
in de gemeten lichtsterkte plaats vindt. Het nadeel van de LED is dus dat hij niet zomaar op elke afstand geplaatst kan worden.
5.3.4. V ERPLAATSINGSMETING Bij de verplaatsingsmeting is de opstelling zoals te zien is in het onderste deel van Figuur 5.4 en in Figuur 5.5. In laatstgenoemde afbeelding is er geen tussenschot te zien, maar deze hoort tussen de LED en de PSD. Er is tijdens het verplaatsen van de LED naar voren gekomen dat de tussenschot mee moet bewegen met de LED. Dit zorgt ervoor dat dezelfde lichtintensiteit door de gleuf blijft schijnen en de positie van de lichtstreep evenveel meebeweegt met de verplaatsing van de LED.
5.4. P ROTOTYPE Met het prototype is er zowel met de LED als met de laser een meting gedaan. De data wordt zo min mogelijk op de Arduino verwerkt om softwarematige meetfouten te voorkomen. De data die wordt gebruikt zijn de datapunten van 0 tot en met 1023 direct uit de ADC en het resultaat van het invoeren van de datapunten in formule 4.2 uit paragraaf 4.3.1 om de relatieve positie te bepalen.
5.4.1. T EST MET LED Bij de test met de LED is de LED in een houten blokje geplaatst. Direct tegen het blokje aan zit het tussenschot met gleuf op een afstand van 9 millimeter van de LED. De LED en het tussenschot zitten met een
5.4. P ROTOTYPE
29
1
2
3 4
5
Figuur 5.5: Een van de meetopstellingen in de doos. De pijlen geven de volgende onderdelen aan: 1) De versterkerschakeling; 2) De Arduino; 3) Het verplaatsbare blokje van de vorkuitzetter; 4) Het LEDje; en 5) De PSD.
elastiekje aan elke kant van het blokje vastgemaakt. Het houten blokje zit met behulp van een slangklem om de riem bevestigd. De PSD zit op een andere slangklem gelijmd. Deze slangklem zit om een stuk PVC pijp die vervolgens ook weer met een slangklem om de riem bevestigd is. De afstand tussen de PSD en het tussenschot is 41 millimeter. Het bovengenoemde is in een kartonnen doos geplaatst die het geheel van het meeste omgevingslicht kan afschermen. Naast de doos is het versterkercircuit en Arduino op de riem geplaatst. De spanning wordt nog met een regelbare spanningsbron geleverd. De riem zelf is met lijmklemmen aan de tafel bevestigd. Zie Figuur 4.10 ter verduidelijking. Er zijn verschillende massa’s aan de riem gehangen van ongeveer 5, 10, 15 en 20 kilo. Bij deze verschillende gewichten is een variatie in de uitgelezen waarden op te merken, waardoor niet te zien was of de riem doorboog of niet. Het blokje met de LED erin is vervolgens dichterbij geplaatst, op 19 millimeter afstand van de PSD, zodat er een kleinere variatie in de gemeten waarden zou moeten zitten. Ook deze meetwaarden varieerden erg (tot 30 positiepunten met de gebruikte Arduinocode van Appendix D). De PSD in combinatie met de LED is instabiel.
5.4.2. T EST MET LASER Bij de test met de laser is bijna dezelfde meetopstelling gebruikt als die voor de LED. Het verschil is dat de laser nu de plek van de LED inneemt op 9,2 millimeter voor het einde van het blokje. De metingen zijn gedaan met een afstand tussen de PSD en het tussenschot 41 en 51 millimeter. De opstelling is hierbij zo geplaatst dat de PSD zich op een afstand van 31 centimeter van het manchet bevindt. VARIATIE METINGEN Er zijn verschillende gewichten aan de riem gehangen in stappen van vijf kilogram. Ook bij de laser zit een variatie in de uitleeswaarden, maar kleiner dan bij de LED. De variatie is goed te zien in Tabel 5.3, waarin zeven meetresultaten van een constante opstelling te zien zijn. De resultaten variëren tot zes positiepunten met de gebruikte Arduinocode. Er is gekozen om het gemiddelde van zeven metingen te gebruiken als positie. Na vijf stappen zijn ze er weer stuk voor stuk afgehaald en is bij elke stap weer gekeken wat de gemiddelde waarde was. Uit de meting, zoals in Tabel 5.4 te zien is, komt een instabiel meetsysteem tevoorschijn. Zodra de ge-
30
5. M EETRESULTATEN
wichten weer van de riem afgehaald worden, wordt er een andere waarde gemeten dan eerder bij eenzelfde gewicht. De verplaatsing is ook niet constant. Tabel 5.3: Variatie in de constante metingen met de laser.
0 kg
4,8 kg
10,5 kg
15,5 kg
20,8 kg
15,5 kg
10,5 kg
4,8 kg
0 kg
-162,95 -162,54 -163,04 -163,31 -163,7 -163,61 -163,4
-159,54 -157,39 -157,25 -156,61 -156,46 -156,89 -157,89
-150,88 -149,47 -149,86 -148,88 -151,3 -151,13 -151,34
-144,31 -143,69 -143,91 -145,57 -144,11 -144,53 -144,33
-136,98 -136,72 -136,72 -136,51 -138,1 -137,35 -137,38
-141,91 -141,45 -141,92 -138,87 -143,09 -142,86 -141,91
-146,85 -149,34 -147,6 -146,6 -147,57 -145,83 -147,34
-153,5 -153,71 -151,73 -152 -151,19 -153,78 -153,5
-160,47 -157,89 -156,08 -156,84 -156 -162,33 -156,76
Tabel 5.4: Meetresultaten aan het prototype met de laser.
Gewicht [kg] ∆
Meting 1 (41 mm) ∆
Meting 2 (51 mm) ∆
0 4,8 10,5 15,5 20,8 15,5 10,5 4,8 0
182 185 189 192 196 192 188 184 180
-163 -157 -150 -144 -137 -142 -147 -153 -158
4,8 5,7 5 5,3 -5,3 -5 -5,7 -4,8
3 4 3 4 -4 -4 -4 -4
6 7 6 7 -5 -5 -6 -5
C ONVERSIEFACTOR In Tabel 5.5 zijn de verschillen tussen de meetwaarden (deze worden voor het gemak ’D’ genoemd) geanalyseerd. Van de D’s is het gemiddelde genomen en de toename in massa per D is berekend. Deze waarde is met de valversnelling vermenigvuldigd (9,81 m ) om het aantal newton per D te vinden. Uit het aantal N/D s2 is de uiteindelijke conversiefactor te bepalen die nodig is om de kracht aan de hand van de verplaatsing te bepalen. Voor een systeem op een afstand van 51 cm is deze factor gemiddeld 8,69 N/D met een maximale afwijking van 0,23 N/D. Dit geeft een onnauwkeurigheid van 2,66% binnen het bereik van 0 tot 20 kilogram.
5.5. P ROOF OF C ONCEPT Het hoofddoel van het bachelor afstudeerproject is het maken van een totaalproduct. Hiervoor is integratie van de drie subonderdelen, uitgewerkt door de drie subgroepen, van groot belang. Om te laten zien dat er ten einde van het bachelor afstudeerproject aan dit hoofddoel voldaan is, is er een systeem gebouwd waarbij de subonderdelen met elkaar kunnen samenwerken. Door het totaalproduct op een roeiriem te bevestigen is er met behulp van een vaste roeiopstelling aan de kant, een zogenaamde waterbak, een meting in het water gedaan. Het resultaat voor de krachtmeting is te zien in Figuur 5.6. Hierin is duidelijk het verschil tussen zachtere (de eerste twee pieken) en hardere (de laatste twee pieken) slagen te zien.
5.5. P ROOF OF C ONCEPT
31
Tabel 5.5: Data analyse van de meetresultaten aan het prototype met de laser.
∆M 4,8 5,7 5 5,3
∆M 4,8 5,7 5 5,3
∆Meting 1 = D oplopend aflopend 3 4 3 4
4 4 4 4
∆Meting 2 = D oplopend aflopend 6 7 6 7
5 6 5 5
|D|
kg/D
N/D
3,5 4 3,5 4
1,37 1,43 1,43 1,33
13,45 13,98 14,01 13,00
|D|
kg/D
N/D
5,5 6,5 5,5 6
0,87 0,88 0,91 0,88
8,56 8,60 8,92 8,67
Figuur 5.6: Een grafiek van de kracht uitgezet tegen de tijd tijdens een roeisessie met het totaalproduct in een waterbak, zoals het aan de gebruik gezien wordt gelaten op de telefoon.
6 D ISCUSSIE De gebruikte PSD heeft een gemeenschappelijke kathode. Hierdoor is er gebruik gemaakt van een inverterende versterker. Wanneer een PSD met gezamenlijke anode wordt gevonden is het niet nodig om een inverterende versterker te gebruiken, wat voor een voordeliger circuit zou kunnen zorgen in ofwel componentkosten, ofwel energieverbruik. Als PSD is de eendimensionale S3931 van Hamamatsu Photonics gebruikt, maar hier kan ook een andere (2D) PSD voor gebruikt worden. Degene die nu gebruikt is, is niet degene die als meest ideale werd beschouwd, maar een die vanwege weinig bestel-/levermogelijkheden gekozen is. Het gebruik van een grotere eendimensionale PSD of een (grotere) tweedimensionale PSD zorgt ervoor dat de uitlijning van de lichtbron op de PSD van minder belang is. De manier waarop uitlijning nu opgelost is, is het gebruik van een tussenschot met gleuf erin. Er wordt zo wel een hoop licht geproduceerd dat door het tussenschot wordt tegen gehouden. Dit is zonde van de energie. Een kleinere lichtspot, of een in de vorm van een streep van zichzelf zou een stuk energiezuiniger kunnen zijn. Daarnaast warmt de laser die gebruikt is op en neemt zijn intensiteit in de loop van de tijd af. Ook dit duidt op energieverlies en dit is ongewenst. Er is gebruik gemaakt van een lichtbron met rood licht. Er kan gebruik gemaakt gaan worden van een lichtbron die een grotere golflengte heeft (bij uitstek 920 nanometer bij de gebruikte PSD), zodat de PSD een grotere gevoeligheid (A/W) heeft. Zo is er een groter signaal op de uitgang van de PSD bij eenzelfde energieverbruik. Dit kan ervoor zorgen dat er minder versterkt hoeft te worden en er minder ruis ontstaat. De Arduino die gebruikt is heeft op zijn 3,3 volt uitgang 2,77 volt staan. Dit komt door het niet goed werken van de spanningsregulator. Dit doet alarmbellen rinkelen en wellicht dat er nog meer delen niet naar behoren werken. Het is onbekend welke laser er gebruikt is. Deze is door de entrepeneur half uit elkaar geschroefd geleverd en er is niet meer te achterhalen welke het precies is. Deze werkt proefondervindelijk prima op 2,77 V die de Arduino levert op de 3,3 V uitgang, waardoor het geen probleem is om deze in het systeem te gebruiken. De laser is niet ontworpen om continu dezelfde lichtintensiteit te hebben. De afname in lichtintensiteit kan komen doordat hij warm wordt, aangezien de laser wel weer een hoge intensiteit heeft als hij op een later tijdstip opnieuw aangezet wordt. Wellicht dat het voorkomen kan worden door de laser niet de hele tijd aan te laten staan, maar bijvoorbeeld slechts 34 samples per seconde te laten nemen, zodat de laser de tijd heeft om af te koelen en nog steeds aan de eis van twee kilosamples per minuut voldoet. De kantelfrequentie is op 100 Hz gekozen om ruis te kunnen onderdrukken. Deze waarde was voldoende voor onze metingen, maar is waarschijnlijk nog niet optimaal. Dit zou verbeterd kunnen worden door (met behulp van MATLAB) onderzoek te doen naar de maximale frequentie die zich in de krachtgrafiek bevindt en hierboven de filteren. De verplaatsingswaarde van de PSD is nog beter te maken door de exacte waarden van de weerstanden van de versterkerschakeling in de software te gebruiken, in plaats van de toegezegde fabriekswaarden. Voor het eindsysteem dat in grotere getalen gemaakt zal worden is dit echter niet mogelijk. De gekozen spanningsbron, ADC en spanningsbron zijn nog niet getest. Dit zou echter slechts een kleine stap met een paar aanpassingen zijn wat geen problemen op zou moeten leveren. Er is nog niet in diepte nagedacht over de behuizing van het systeem. Er is nog geen keuze gemaakt van welk type materialen er bijvoorbeeld gebruik wordt gemaakt. 33
34
6. D ISCUSSIE
De inconsistentie van de positiebepaling van de riem bij dezelfde gewichten op een ander tijdstip is mogelijkerwijs het gevolg van kruip (van het houten blokje, pvc pijp of tussenschot) bij grotere krachten. De variatie in positiebepaling is mogelijkerwijs het gevolg van licht dat de doos binnenkomt. De kartonnen doos houdt het meeste van het omgevingslicht tegen, maar niet alles. Licht dat de doos binnenkomt kan in de tijd verschillen en de meetresultaten doen variëren. Er moet een opstelling gemaakt worden die nog meer licht tegenhoudt. Naar de levensduur van het systeem is geen speciaal onderzoek gedaan. Er wordt verondersteld dat alle onderdelen, ook tezamen, vijf jaar mee kunnen gaan.
7 C ONCLUSIE Het is nog niet mogelijk om een goede krachtmeting te doen die aan alle eisen en specificaties voldoet. Aan de eis van 2,4% onnauwkeurigheid is namelijk niet voldaan. Het systeem is nog te instabiel om een goede meting te kunnen realiseren. Op dit moment is het meest nauwkeurige resultaat een conversiefactor van 8,69 newton per verplaatsing met een onnauwkeurigheid van 2,66%. Het krachtmeetsysteem kan een doorbuiging detecteren. Het systeem is een goedkope oplossing (ongeveer 35 euro) om doorbuiging te meten en dit om te zetten naar een kracht van de roeier. Er zit wel potentie in dit systeem, maar er moet meer onderzoek naar gedaan worden. Met een LED is het niet mogelijk om een stabiele meting te krijgen, omdat de LED niet sterk/fel genoeg is om grotere afstanden te overbruggen, geen mooie lichtstreep op de PSD geeft en daarnaast heeft het geen gelijkmatig verdeelde lichtintensiteit in de lichtvlek. De laser geeft een betere lichtstreep en kan grotere afstanden wel overbruggen, maar ook deze geeft geen stabiele meting. De laser heeft namelijk een afnemende lichtintensiteit. Het belangrijkste waar nu op gefocust moet worden is het bewerkstelligen van een stabiele meting. Zodra dit het geval is kan het systeem gekalibreerd worden. Dan kan ook de ideale afstand tussen PSD en lichtbron bepaald worden zodat het optimale bereik van de PSD gebruikt wordt en de beste nauwkeurigheid gerealiseerd wordt.
35
8 A ANBEVELINGEN Het systeem is in zijn huidige vorm nog niet goed genoeg, maar toont wel potentie. Er zijn nog een aantal punten waar meer onderzoek naar gedaan moet worden, voordat het krachtmeetsysteem in productie kan gaan. Zo moet er: • een betere lichtbron gekozen worden. Er is te weinig kennis over welke laser er gebruikt is en er zullen wellicht betere opties zijn. Daarnaast heeft de LED een verschillende lichtspot op verschillende afstanden. • gekeken worden naar het gebruik van lichtpulsen, in plaats van een continue schijnende lichtbundel om zo energieverbruik en warmteontwikkeling te voorkomen. • gekeken worden naar het gebruiken van het volledige bereik van de PSD. Dit kan gedaan worden door de lichtbron op een grotere afstand van de PSD te zetten. Als het sensorsysteem niet genoeg heeft aan het beschikbare deel van de riem dat niet in het water komt, kan het sensorsysteem in de riem geplaatst worden en zo de hele lengte van de riem gebruiken. Daarnaast zou er gebruik gemaakt kunnen worden van een opstelling met spiegeltjes die ervoor zorgen dat het licht een groter bereik op de PSD inneemt. • gekeken worden naar het gebruiken van de kleinste-kwadratenmethode voor de PSD. De maximale fout die de PSD in de positiedetectie maakt kan hiermee van 120 micrometer naar negen micrometer teruggebracht worden. • gekeken worden naar de exacte manier waarop de gemeten waarden van de PSD veranderen. Als deze rond een bepaalde waarde schommelen, kunnen de waarden van de PSD bijvoorbeeld sneller uitgelezen worden dan dat ze verstuurd worden en eerst nog gemiddeld worden. Zo kan er een realistischere waarde verzonden worden. • een testopstelling gemaakt worden waarin extern licht ook werkelijk extern blijft en geen invloed heeft op de sensor. Zo kan er inconsistentie in de metingen, of fouten in de metingen als gevolg van veranderend omgevingslicht voorkomen worden. • onderzoek gedaan worden naar hoeveel invloed beschadigingen, ouderdom en temperatuurveranderingen invloed hebben op de eigenschappen van een riem. Als dit bekend is kan gezegd worden hoe vaak en wanneer er opnieuw gekalibreerd moet worden. • onderzoek gedaan worden naar de meest ideale manier van het bevestigen van het meetsysteem op de riem. Het bevestigen met klemmen kan bij grote krachten voor kruip zorgen, waarna verschillende slagen niet met elkaar vergeleken kunnen worden. Er moet nog bekeken worden in hoeverre dit invloed heeft op de meetresultaten. • meer nagedacht worden over welk soort materialen gebruikt gaat worden en in welke vorm de behuizing gemaakt moet worden. • nog onderzoek gedaan worden naar de levensduur van het systeem. Er is nog niet bekend of het systeem aan deze eis voldoet. 37
38
8. A ANBEVELINGEN • onderzoek gedaan worden naar andere krachtmeetsystemen. In de toekomst wordt fiber Bragg grating bijvoorbeeld kleiner en goedkoper waardoor het opnieuw in overweging kan worden genomen.
9 E RKENNINGEN Dit project kon niet gedaan worden zonder hulp van anderen. Daarom willen we sommige mensen graag bedanken. Ten eerste willen we Jeroen bedanken voor de hulp die hij ons geboden heeft. We konden altijd wel even bij hem aankloppen met een nieuwe vraag. Ook was hij altijd aanwezig bij de vergaderingen en heeft daar altijd actief meegeluisterd en goed commentaar gegeven. Hij heeft ons vaak even in een andere richting geduwd. We willen Kofi bedanken voor het begeleiden, de input die hij gegeven heeft en de frisse blik die hij af en toe op ons kon werpen bij zijn bezoeken aan de kamer. Guus willen we bedanken voor zijn enthousiasme en zijn uitleg van het probleem. Hij heeft veel interesse in ons onderzoek getoond en is nauw betrokken geweest. Daarnaast heeft hij ons voorzien van de roeiriem en van de gebruikte laser. Daarnaast willen we Chloë bedanken voor het helpen met het maken van een aantal mooie afbeeldingen in dit verslag. Zonder haar zou het verslag er een stuk minder strak uitzien en minder duidelijkheid bieden aan de lezer. En natuurlijk willen we onze projectgenoten Kaj, Bastiaan, Menno en Koen bedanken voor het meedenken en het tolereren van ons in onze gemeenschappelijke kamer.
39
B IBLIOGRAFIE [1] J. Brinkman, De modulaire methode - Theorieboek roeien, Naarden, December 2009. [2] American Academy of Pediatrics, “Rowing,” Care of the Young Athlete Patient Education Handouts, p. 2, 2012. [3] U. Hartmann, A. Mader et al., “Peak force, velocity, and power during five and ten maximal rowing ergometer strokes by world class female and male rowers,” International Journal of Sports Medicine, vol. 14, no. S42-S45, 1993. [4] A. Benson, J. Abendroth et al., “Comparison of rowing on a concept 2 stationary and dynamic ergometer,” Journal of Sports Science and Medicine, vol. 10, pp. 267–273, 2011. [5] M. J. Hofmijster, E. H. J. Landman et al., “Effect of stroke rate on the distribution of net mechanical power in rowing,” Journal of Sports Sciences, vol. 25, no. 4, pp. 403–411, 2007, http://dx.doi.org/10.1080/02640410600718046. [6] P. Klein, “Het roeien,” Beschikbaar http://www.debinnenvaart.nl/binnenvaarttaal/aanvullende_ teksten/voortstuwing/teksten.php?tekst=roeien [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [7] Weba Sports, “Rowx outdoor,” Beschikbaar: http://www.webasport.at/en/products/rowx-outdoor [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [8] Peach Innovations, “Powerline rowing instrumentation and telemetry,” Beschikbaar: http://www. peachinnovations.com/ [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [9] Oar Inspired, “Intelligate,” Beschikbaar: http://www.oarinspired.com/ [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [10] D. Jacobsen, “Oar inspired making every stroke count,” Beschikbaar: https://www.kickstarter.com/projects/1771876920/oar-inspired-making-every-stroke-count [Geraadpleegd op 14 juni 2014]. [11] SmartOar Technologies, LLC, “Smartoar coaches’ tablet and oars,” Beschikbaar: http://www.smartoar. com/ [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [12] J. Corbett en D. Croker, “Digital data aquisition oar,” in 2011 World Rowing Coaches Conference, 2011. [13] BioRow, “Biorowtel® data acquisition system,” Beschikbaar: http://biorow.org/index/telemetry_ system_for_biomechanical_measurements/0-5 [Geraadpleegd op 9 juni 2014]. [14] J. Dreher en C. Fuerst, “Force measurement,” in 2009 Jim Joy’s, Joy of Sculling Conference, 2009. [15] D. Paele, “Instrumentation system for indoor rowing tank training,” Beschikbaar: st-oarthrust.com/ [Geraadpleegd op 9 juni 2014].
http://www.
[16] P.S. Fuchs en V.F.C. van Hoek, “Gorow be a herow; krachtmeting in een roeiboot,” TU Delft, Tech. Rep., 2014. [17] L.A. Loopik en A.A. Verhage, “Optische krachtmeting op een roeiboot: een onderzoek naar het meten van de buiging van een roeiriem met behulp van een lasersensor afkomstig uit een computermuis,” Tech. Rep., 2014. [18] E. Udd, “Review of multi-parameter fiber grating sensors,” Proceedings of SPIE, vol. 6770, no. 677002-10. [19] First Sensor, “First sensor qp data sheet; part description qp50-6 to,” oktober 2011, order number 501417; 501416. 41
42
B IBLIOGRAFIE
[20] “Si photodiode array s4111-16q,” Beschikbaar: http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/ 3100/4001/4204/4105/S4111-16Q/index.html [Geraadpleegd op 17 juni 2014]. [21] “One-dimensional psd s3931,” Beschikbaar: http://www.hamamatsu.com/eu/en/product/category/ 3100/4010/4155/S3931/index.html [Geraadpleegd op 17 juni 2014]. [22] Hamamatsu, “Characteristic and use,” Beschikbaar: http://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/ psd_techinfo_e.pdf [Geraadpleegd op 14 juli 2014]. [23] Hamamatsu Photonics K.K., “One-dimensional psd: S3937, s3931, s3932, s1352, s3270,” juli 2005, cat. No. KPSD1002E03. [24] B. Oosterhuis and K. Schaper, “Portable instrument panel for rowers: Hoekmeting en hardware integratie,” TU Delft, Tech. Rep., 2014. [25] “Hammond, abs plastic and polycarb watertight flanged lid (1555 f series),” Beschikbaar: http://www. hammondmfg.com/1555F_SL.htm [Geraadpleegd op 17 juni 2014].
A E ISEN TOTAALSYSTEEM Tabel A.1: Het eisenpakket van het totale roeisysteem.
Algemene eisen: Accuraat Betrouwbaar Feedback op het water Robuust Eenvoudige installatie Beschikken over een energievoorziening Eenvoudig in gebruik Algemene specificaties: Meetgegevens roeisessies opslaan Reproduceerbaar Onderdeelkosten maximaal 100 euro Add-on: makkelijke installatie Gemeten gegevens: vermogen, hoek, spm, kracht Optioneel: grafiek, bootsnelheid, totale tijd, 500m tijd Display op smartphone, semi-realtime, via Bluetooth Technische specificaties: Onnauwkeurigheid: ≤ 5% Onderdompel + stofbestendig, ip-67 Batterijduur: 10 uur (5 trainingen van 2 uur) Levensduur: 5 jaar (i.v.m. levensduur riem) Bereik slagentempo 10-50 spm Opslag temp -40◦ C tot 70◦ C Werktemperatuur -5◦ C tot 50◦ C Gewicht: maximaal 250 gram Bereik hoek 30-120 graden Bereik kracht 0-1500 newton
43
B M ARKTANALYSE
45
B. M ARKTANALYSE 46
150/riem
Te ontwerpen systeem 3500/riem
Intelligent Oarlock
0
3 3 7 7 7 7 3 3 3 7 3 7 3
3100/boot
PowerLine
0
3
3 3 3 7 7 7 3 3 3 7 7 3 (optioneel)
4200/boot
RowXoutdoor
1
3
3 3 3 7 3 7 3 3 7 7 7 3 (optioneel)
7000/boot
BioRowTel
0
3 7 3 7 7 7 3 3 7 3 7 7 7
2000/riem
Digital Data Acquisition Oar
0
3 7 3
3 3 3 3 7 7 3 3 3
?
IntelliGate
0
3 3 3 7 7 7 3 3 7 7 7 7 3
?
Durhamboat
1
3 7 3 3 7 7 3 3 3 3 3 7 3
4800/boot
SmartOar
?
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 (optioneel) 0
3 3
3 3 3 7 7 7 3 3 3 3 7 7 3
Tabel B.1: De concurrenten van het te ontwerpen systeem.
Prijs in euro Kracht meting Hoek meting SPM Draadloos GPS Smartphone Analyse achteraf Grafieken Realtime data Complete team overzicht Communicatie met de coach Hartslag Add-on Kalibratie tijd [minuten]
C L INEARITEITSMETING Afstandsmeting 1 & 2 55
Uitwijking t.o.v. het meetsysteem [cm]
50
45 19 cm
14 cm
40
9 cm 57 cm
35
52 cm 47 cm
30
Linearisering 25
20 0
5
10
15
20
Gewicht aan de riem [kg] Figuur C.1: De afstand tussen de referentieplank en de riem tijdens de eerste en tweede meting.
47
25
48
C. L INEARITEITSMETING
Uitwijking t.o.v. vorige meetwaarde 1
Utiwjiking t.o.v. de vorige meetwaarde [cm]
2,5
2
1,5
57 cm 52 cm
47 cm
1
Lineair (57 cm) Lineair (52 cm) 0,5
Lineair (47 cm)
0 0
5
-0,5
10
15
20
25
Gewicht aan de riem [kg]
Figuur C.2: Van de eerste meting de uitwijkingsverandering t.o.v. de vorige meetwaarde.
Uitwijking t.o.v. vorige meetwaarde 2 0,7
Utiwjiking t.o.v. de vorige meetwaarde [cm]
0,6 0,5 0,4
19 cm 14 cm
0,3
9 cm 0,2
Lineair (19 cm) Lineair (14 cm)
0,1
Lineair (9 cm)
0
0
5
10
15
20
-0,1 -0,2
Gewicht aan de riem [kg]
Figuur C.3: Van de tweede meting de uitwijkingsverandering t.o.v. de vorige meetwaarde.
25
D A RDUINO CODE 1 2 3 4 5 6
// Constants int led = 12; int Rx = 10000; int Ry = 1000; int Rz = 6800; float C = 8 . 6 9 ;
// Rx_exact = . . . // Ry_exact = . . . // Rz_exact = . . . / / [ N / Displacement ]
7 8 9 10 11
// Variables float SensorValueY1 = 0 ; float SensorValueY2 = 0 ; float Xref ;
12 13 14 15 16 17
void setup ( ) { // put your setup code here to run once : Serial . begin (9600) ;
18
// Kalibratie SensorValueY1 = analogRead ( A0 ) ; SensorValueY2 = analogRead ( A1 ) ; Xref = ( ( SensorValueY2 − SensorValueY1 ) / ( SensorValueY1 + SensorValueY2 ) ) * 1000;
19 20 21 22 23
}
24 25 26 27 28 29 30
void loop ( ) { // Set to zero SensorValueY1 = 0 ; SensorValueY2 = 0 ;
31 32 33 34 35 36 37 38 39
// Average Filter f o r ( int i =0; i <= 5 ; i ++) { // Read ADC SensorValueY1 += analogRead ( A0 ) ; SensorValueY2 += analogRead ( A1 ) ; } SensorValueY1 = SensorValueY1 / 6 ; SensorValueY2 = SensorValueY2 / 6 ;
40 41 42
// Calculate the position on the PSD float x = ( ( SensorValueY2 − SensorValueY1 ) / ( SensorValueY1 + SensorValueY2 ) ) * 1000;
43 44 45
// Calculate the zeroed position float y = x − Xref ;
46 47 48
// Calculate the Force float F = C * y ;
49 50 51 52 53 54 55 56 57
// Print position Serial . p r i n t ( " SensorValueY1 : " ) ; Serial . println ( SensorValueY1 ) ; Serial . p r i n t ( " SensorValueY2 : " ) ; Serial . println ( SensorValueY2 ) ; Serial . p r i n t ( " Xref : " ) ;
49
50
Serial . println ( Xref ) ; Serial . p r i n t ( " x : " ) ; Serial . println ( x ) ; Serial . p r i n t ( " y : " ) ; Serial . println ( y ) ; Serial . p r i n t ( " F : " ) ; Serial . println ( F ) ; Serial . println ( " " ) ; delay (1000) ;
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67
}
D. A RDUINO CODE
E C IRCUIT SCHEMA
Figuur E.1: Een schematische weergave van het complete systeem. De weerstandswaarden zijn in Ω. De V + en de V − van de negatieve spanningsregulator zijn op de V + en de V − van de Op-Amps aangesloten.
51