Seminarski rad iz Senzora Tema: Senzori brzine i ubrzanja
Univerzitet u Tuzli
Sadržaj: Uvod......................................................................2 Jun 2012
Podjela senzora za mjerenje brzine.....................................3 Kapacitivni senzori brzine....................................................3 Senzori brzine na bazi holovog efekta.................................4 Senzori brzine na bazi Doplerovog efekta............................5 Najsavremeniji načini brzine………………………………………7
mjerenja
Podjela senzora za mjerenje ubrzanja..................................8 Piezoelektrični senzori ubrzanja...........................................8 Piezoelektrični kristali……………………………………………………………10 Kapacitivni akcelometar………………………………………………………..13 Piezorezistivni akcelometar……………………………………………………13 Piezoelektrični akcelometar……………………………………………………14 Termički akcelometar……………………………………………………………15 Akcelometar
sa
zagrejanim
gasom………………………………………...15 Žiroskop………………………………………………………………………… …..16 Monolitni
silicijumski
žiroskop…………………………………………………18 Optički žiroskop……………………………………………………………………19
3 0
Univerzitet u Tuzli
Piezoelektrični kablovi……………………………………………………………22 Jun 2012
Prijedlog rješenja………………………………………………………………….26 Prijedlog
senzora
koje
treba
koristiti
……………………………………….27 Zaključak……………………………………………………………………… …….30 Literatura……………………………………………………………………… …….31
UVOD: Šta je senzor ?? Kako bi registrirali i izmjerili fizičke veličine tijekom izvođenja nekog pokusa potrebno je koristiti odgovarajuće senzore. Takva osjetila trebaju fizičke pojave pretvoriti u električne signale prilagođene naponskim nivoima. Senzori se koriste u svakodnevnim predmetima, kao što su pozivna dugmad lifta (osjetilni senzor) ili lampa koja se pali na dodir. Postoje i mnoge druge aplikacije o koijma ljudi uopće ne razmišljaju. primjene uključuju automobile, letjelice, medicinu, proizvodnju i robotiku. Senzor je uređaj koji prima signal i reaguje na njega ili na neki poticaj. Poticaj mora biti konvertovan u električnu formu. Signal tako konvertovan može biti korišten dalje u elektroničkim uređajima. Senzori mogu biti veoma osjetljivi, zavisno od namjene. Dobar senzor je osjetljiv na mjerenu osobinu, ujedno
3 0
Univerzitet u Tuzli
je neosjetljiv na bilo koju drugu nebitnu a prisutnu osobinu. Senzor ne utiče na mjerenu osobinu. Jun 2012
Svi živi organizmi posjeduju biološke senzore sa funkcijama sličnim kao kod već opisanih uređaja. Većina prirodnih senzora su specijalizovane ćelije koje su osjetljive na: svjetlo, pokret, temperaturu, magnetno polje, gravitaciju, vlažnost, vibracije, pritisak, električno polje, zvuk, i druge fizičke pojave iz okruženja. Drugi biološki senzori koji se nazivaju unutrašnjim, jesu osjetljivi na istezanje, pokret organizma i nesvjesni osjećaj pokreta i prostorne pozicije. Šta je brzina ,a šta je ubrzanje ?? Brzina i ubrzanje su fizičke veličine koje su ujedno i dinamičke karakteristike objekata. Brzina može biti linearna i ugaona.Brzina prestavlja prvi izvod pozicije po vremenu a ubrzanje drugi izvod pozicije po vremenu. Poznavajući promjenu pozicije objekta u prirodi, moguće je odrediti i pomenute dvije veličine. Izračunavanje dinamičkih karakteristika objekata čija je frekvencija reda veličine 1Hz može se izvršiti pomoću senzora za pozicioniranje.Međutim, nalaženje brzine i ubrzanja pomoću senzora pozicije postaje komplikovanije sa porastom frekvencije te je za primjenu na frekvencijama manjim od 1 kHz bolje koristiti uređaje za merenje brzine.
Podjela senzora za mjerenje brzine (obzirom na tip kretanja): - Senzori za mjerenje linearne brzine (translacija) - Senzori za mjerenje ugaone brzine (rotacija) Translatorna brzina mjeri se u opsegu od 0–15 000 m/s Ugaona brzina mjeri se u opsegu 0 – 20 000 rad/s. Metode mjerenja brzine • Mehaničke metode • Električne metode • Magnetne metode • Radijacijske metode
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Pomoću pogodnog prenosnog mehanizma linearna brzina obično se pretvara u ugaonu. Zato će se posebna pažnja u nastavku posvetiti senzorima ugaone brzine. Metode mjerenja ugaone brzine: 1. Mjerenje brzine korištenjem senzora pomjeraja 2. Tahogeneratori 3. Optoelektronski senzori brzine 4. Reluktantni i induktivni senzori brzine 5. Kapacitivni senzori brzine 6. Senzor na bazi Holovog efekta 7. Senzori brzine na bazi Doplerovog efekta
Kapacitivni senzori brzine Postoji veći broj konstrukcija kapacitivnih senzora. Senzor na slici desno sastoji se od jedne ekscentrične ploče kojase obrće sa osovinom i jedne nepokretne ploče. Prilikom obrtanja dolazido periodične promjene aktivne površine ploča, a time i do promjene kapaciteta senzora. Za mjerenje se može primijeniti kolo sa jednosmjernim napajanjem kao na slici dolje. Otpornost u kolu se bira tako da bude zadovoljen uvjet : Slika 1.1-kapacitivni senzor
jer tada Uizl ima konstantnu amplitudu. Frekvencija napona je jednaka f ili njenom umnošku. Kao indikator se koristi digitalni frekvencmetar ili voltmetar ako je ispunjen naprijed navedeni Slika 1.2-Princip rada senzora uvjet za vremensku konstantu.Pri malim ugaonim brzinama izlazni napon postaje
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
vrlo mali, pa se jednosmjerno kolo ne može primjeniti. Bolje performanse tada daje kolo napajano izmjeničnim naponom. Kada su promjene kapacitivnosti relativno male i kada one imaju oblik prostoperiodične finkcije izlazni napon može se prikazati kao:
Slika 1.3-Princip rada sa modulatorom Izlazni napon predstavlja amplitudno modulisani signal pa je na taj način donja granična frekvencija pomjerena praktično do nule.Kapacitivni senzori se ipak relativno rijetko koriste u komercijalne svrhe za mjerenje ugaone brzine.
Senzor brzine na bazi Holovog efekta Osjetilni element je poluvodička pločica, (obično od Indijum arsenida),kroz koju protiče konstantna struja Ih. Ako se pločica nalazi u homogenom magnetnom polju indukcije B, na njenim krajevima se javlja napon: d – debljina pločice Kh- holova konstanta
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Slika 2.1-Princip rada senzora na bazi Holovog efekta Osnovna primjena Holovog senzora je za mjerenje magnetne indukcije B. Međutim njime se može mjeriti i brzina, kada se njim izaziva promjena magnetne indukcije. Senzor za mjerenje ugaone brzine sastoji se od stalnog magneta i magnetnog kola čija se otpornost periodički mijenja pri obrtanju osovine. Holov senzor se nalazi u zračnom procjeputako da dolazi do periodične promjene indukcije B čime se generišu naponski impulsi čija je frekvencija direktno proprcionalna ugaonoj brzini. Amplituda je konstantna.
Senzori brzine na bazi Doplerovog efekta Doplerov efekat (Christian Doppler (1803-1853)) je pojava da zbog kretanja prijemnika ili izvora talasa (predajnika) dolazi do promjene frekvencije talasa, na strani prijemnika. Promjena frekvencije proprcionalna je brzini kretanja izvora ili prijemnika. Posmatrajmo izvor talasa i prijemnik: • ako su izvor talasa i prijemnik nepokretni u odnosu na sredinu kroz koju se talas širi,frekvencija koju prima prijemnik jednaka je frekvenciji izvora f • ako se izvor talasa i prijemnik jedan u odnosu na drugogrelativno kreću, tada prijemnik prima drugačiju frekvenciju f’ od one koju emitira izvor f Razlikujemo dva slučaja: a) Izvor miruje (vi = 0), prijemnik se kreće brzinom vp b) Izvor se kreće brzinom vi, prijemnik miruje (vp =0) a) Izvor miruje (vi = 0), prijemnik se kreće brzinom vp
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Izvor koji miruje emituje talas frekvencije f = v/λ gdje je λ talasna dužina, a v brzina talasa. Prijemnik registrira talase frekvencije f’. Ako se prijemnik kreće brzinom vp relativna brzina talasa u odnosu na prijemnik je:
(+ približavanje –
udaljavanje) Frekvencija koju prijemnik registrira je:
=
Slika 3.1-Senzor na bazi doplerovog efekta b) Izvor se kreće brzinom vi, prijemnik miruje (vp =0) U ovom slučaju mijenja se talasna dužina λ za iznos puta kojeg je izvor prešao prema prijemniku za vrijeme trajanja jedne periode talasa T. Talasna dužina se u smjeru kretanja izvora skrati u jednom periodu T na vrijednost Frekvencija koju registrira prijemnik je:
- približavanje izvora
Slika 3.2-Senzor na bazi doplerovog efekta
3 0
Univerzitet u Tuzli
+ udaljavanje izvora Jun 2012
Najsavremeniji načini mjerenja brzine Poslednjih godina je trend da se brzina i ubrzanje mjere pomoću sistema satelita za globalno pozicioniranje (GPS – Global Positioning system) koji se nalazi u Zemljinoj orbiti. Zahvaljujući izuzetnoj preciznosti i rezoluciji sa kojima operišu sateliti i uređaji koji se nalaze u samom objektu čije se kretanje proučava, moguće je vrlo tačno dobiti vrijednost brzine odakle se dalje, diferenciranjem dobijenog rezultata lako izračunava i ubrzanje. Ovaj način mjerenja je dobar ukoliko se radi o većim objektima koji prelaze srednje i velike razdaljine (avioni, brodovi, vozovi, putnički automobili itd.) i u dometu su satelita. Ukoliko radimo sa malim objektima, malim razdaljinama, telima koja izlaze van dometa satelita ili objektima čije kretanje ne sme biti nadzirano ili kompromitovano komunikacionom mrežom (bojna vozila, interkontinentalne balističke rakete, podmornice itd.) primjena satelita nije rješenje. Ideja na kojima se zasnivaju uređaji koji treba da rade u ovim uslovima je mjerenje razdešenosti u odnosu na neki referentni objekat, koji je obično sastavni dio senzora. Ipak u nekim slučajevima, senzori ne koriste princip razdešenosti pošto je moguće dobiti električni signal direktno proporcionalan promjeni brzine/ubrzanja objekta kojeg
3 0
Univerzitet u Tuzli
proučavamo. Na ovom principu radi i elektromagnetni senzor Jun 2012
brzine (slika 1). Slika 4.1 – Princip rada elektromagnetnog senzora brzine. Ukratko, izlazni napon namotaja je direktno proporcionalan relativnoj brzini magnetnog jezgra koje se pomjera. Najveća moguća brzina koju je moguće odrediti ovim instrumentom zavisi najviše od ulaznih komponenti elektronskog kola za obradu signala. Najmanja brzina koju je moguće odrediti ovim instrumentom zavisi od granice šuma koju proizvodi elektronska oprema u blizini uređaja i mogućnosti da se on filtrira/otkloni.
Podjela senzora za mjerenje ubrzanja • • • •
Senzori sa pomičnim seizmičkim elementom i oprugom Senzori kompenzacionog tipa (servoakcelerometri) Senzori na bazi tenzoelementa Piezoelektrični senzori ubrzanja
Ubrzanje je neophodan parametar u sistemima upravljanjakretanjem centra mase pokretnih dijelova. Senzori za mjerenje ubrzanja zovu se akcelerometri. Jedinica translatornog ubrzanja m/s2. Jedinica ugaonog ubrzanja rad/s2.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Mjerenje ubrzanja piezoelektričnim senzorima Jun 2012
Piezoelektrični efekat se javlja kod nekih čvrstih tijela i predstavlja vid konverzije mehaničke u električnu energiju. Kada se piezoelektrični materijal podvrgne mehaničkoj deformaciji na njegovoj površini generiše se određena količina električnog naboja. Najpoznatiji piezomaterijalisu: kvarc (SiO2), Senjetova so, Barijum titanat ( BaTiO3) itd. NIJE MOGUĆE MJERITI STATIČKA UBRZANJA Količina naboja pod djelovanje sile F je:
α – piezoelektrični koeficijent tzv. Piezomodul
Slika 5.1-piezoelektrični senzori
Piezoelektrični senzora daje izravno deformacija električni izlaz i nije potrebno napajanje – aktivni senzor. U električnom pogledu to su izolatori Da bi se mogao mjeriti naboj kristal se umeće između elektroda te se na taj način formira kondenzator:
Longitudinalna
Slika 5.2
Deformacija
na
smicanje
Slika 5.3 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Slika 5.4-s promjenjivim dielekrikom Izvedba akcelerometra koji Izvedba akceleromenta efekat Koji koristi efekat posmaka
koristi longitudinalni
Slika 5.6 Slika 5.5
Nadomjesna shema piezoelektričkoga kristala
Dakle, uz konstantnu silu F struja iN bit će jednaka nuli. Pri statičkoj deformaciji indukuje se sopstvene provodnosti senzora Slika 6.1-piezoelektrični indikatora jedna kristal određena količina elektriciteta koja se relativno brzo prazni preko senzora, priključnih veza i indikatora. 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Zbog toga ovi senzori ne mogu dvati izlazni signal pri stacionarnom djelovanju ulazne veličine. Ovi senzori se isključivo koriste za dinamička mjerenje ubrzanja pri vibracijama.Ove senzore karakteriše velika osjetljivost i male dimenzije.Unutarnja impedansa je vrlo velika pa se za mjerenja moraju koristiti instrumenti ekstremno velike ulazne otpornosti. Ovi senzori se koriste za mjerenje ubrzanja kod vibracija i impulsnih pojava kao što su udari i eksplozije. Osnovni djelovi senzora su piezoelektrična pločica i seizmički element mase m. Pri ubrzanju masa m djeluje na pločicu silom F = ma generišući na pločici naelektrisanje Q. Ovi senzori imaju jako dobre karakteristike pa se koriste i kaosekundarni etaloni ubrzanja U dinamičkom pogledu predstavljaju sistem drugog reda. Karakteristike uređaja za mjerenje ubrzanja Principski, uređaj za mjerenje ubrzanja – akcelerometar se može predstaviti kao uređaj sa jednim stepenom slobode koji ima masu (seizmičku odnosno inercijalnu), oprugu i prigušivač na koga se masa oslanja. Prije upotrebe, akcelerometar je potrebno kalibrisati. Dobro knstruisan, instaliran i kalibrisan akcelerometar treba da ima jednu lako uočljivu prirodnu (rezonantnu) frekvenciju i ravan frekventni odziv u kojem se mogu izvršiti najtačnija mjerenja.Kako se frekvencija vibriranja mijenja, izlaz bjerno oslikava promjenu i to bez umnožavanja signala u frekvencijskoj karakteristici akcelerometra. Slika 7.1-Jedno od rješenja akcelerometra sa seizmičkom masom
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Slika 7.2-Frekvencijska karakteristika akcelerometra
Pri kalibraciji treba odrediti neke karakteristike akcelerometra: 1.Osjetljivost je odnos električnog izlaza prema mehaničkom ulazu. Često se ova vrijednost prestavlja kao volt po jedinici ubrzanja – 1 V/g (g=9.80665 m/s^2); 2.Frekvencijski odziv je izlazni signal frekvencija u kojima senzor treba da radi;
nad
spektrom
3.Rezonantna frekvencija neamortizovanog senzora pokazuje jasno definisano odstupanje koje može biti 3-4 decibela više od odziva referentne frekvencije. U kritično amortizovanim uređajima, rezonancija se ne može jasno primijeniti; 4.Efekat gravitacije za senzore koji imaju samo jednosmjernu komponentu treba otkloniti prije nego što počne mjerenje, odnosno, senzor treba kalibrisati tako da se efekat gravitacije ne uključuje u rezultat mjerenja; 5.Linearnost akcelerometra rasponu ulaznih signala.
treba biti određena prema
3 0
Univerzitet u Tuzli
Pregled tipova (akcelerometra)
uređaja
za
mjerenje
ubrzanja
Jun 2012
Kako je oblast mjerenja brzine i ubrzanja od velike bažnosti u praćenju tehnoloških procesa i mašina, tako su nastali akcelerometri različitih konstrukcija. Osim što se razlikuju po konstrukciji, razlikuju se i po karakteristikama i okruženjima u kojima mogu raditi, odnosno u kojima se pokazuju kao najadekvatniji. Ipak, treba reći da je osnovni princip, po kojem rade akcelerometri u ovom poglavlju, u stvari princip opisan u trećem poglavlju – konstrukcija sa oprugom, tegom i prigušivačem tj. Njutnov zakon A=F/m.(1). Razlike među ovim akcelerometrima su u stvari u načinu očitavanja razdešenosti inercijalne mase od početnog položaja.
4.1. Kapacitivni akcelerometri Ideja kapacitivnih senzora je da mjere promjene kapacitanse odnosno na preciznom bilježenju razdešenosti inercijalne (seizmičke) mase u odnosu na neki referentni objekat, najčešće sam senzor. Stoga se kapacitativni senzor ubrzanja sastoji iz dva dijela odnosno ploče, nepokretne (koja je najčešće povezana sa samim kućištem) i pokretne koja je povezana sa masom čiju razdešenost u odnosu na referentni položaj/tijelo mjerimo.
Svaki transdjuser pokreta koji može mjeriti mikroskopske pomeraje pod uticajem jakih vibracija ili linearnog ubrzanja može biti dio akcelerometra. Znanje iz mehatronike omogućava nam da jedan takav transdjuser prepoznamo u kapacitivnim senzorima.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Iz poglavlja mehatronike koja se bavi kapacitivnim senzorima vidjeli smo da se kapacitivnost menja proporcijonalno sa ubrzanjem (odnosno brzinom promjene položaja mase u odnosu na referentno tijelo). Maksimalna razdešenost koju je moguće izmjeriti kapacitativnim akcelerometrom rijetko dostiže 20 µm. Stoga, tako mala vrijednost zahtjeva pouzdanu kompenzaciju smetnji. Ovo se najčešće postiže korišćenjem diferencijalne tehnike pri čemu se cijeloj konstrukciji dodaje još jedan kondezator. Kada se masa pomjeri prema gornjoj ploči za neko ∆=Fm/k.
Kako temperatura može uticati na rezultat mjerenja, potrebno je prije svega temperaturno Slika 8.1-Kapacitivni kalibrisati senzor na kompletnom temperaturnom opsegu akcelometar unutar kojeg senzor treba da radi. Takođe preporučljivo je da se naprave određene korekcije uticaja temperature pri obradi izlaznog signala. Kapacitativni akcelerometri su jedni od najstabilnijih uređaja za mjerenje ubrzanja.
najpouzdanijih
i
4.2. Piezorezistivni akcelerometri Piezorezistivni akcelerometri su uređaji koji u sebi objedinjavaju mjerne trake i opruge. Naime, mjerne trake mjere opterećenje koje pravi masa koja je pričvršćena za oprugu koja je u vezi sa mjernom trakom. Istezanje može biti direktno povezano sa odstupanjem mase od ravnotežnog položaja a naprezanje se prenosi preko opruge. Ovi uređaji mogu raditi na frekvencijama do 13 kHz i izdržati udare do 10.000 g (g=9.80665 m/s^2). Da bismo jasnije razumjeli kako rade ovi senzori, napravićemo kraći osvrt na način njihove proizvodnje. U unutrašnjem sloju odnosno jezgru nalazi se inercijalna masa i elastične šarke. 3 0
Univerzitet u Tuzli
Masa je pričvršćena za šarke koje su u vezi sa mjernim trakama. Mjerne trake tako bilježe kretanje oko šarki. Jun 2012
Druga dva silikonska sloja su osnova i poklopac koji služe da sačuvaju unutrašnje dijelove od uticaja spolja.
Slika 9.1-Piezorezistivni senzor
Pri tome, oba pomenuta dijela neograničavaju masu tako da se ona može kretati unutar senzora.Uređaj radi tako što inercijalna masa rotira oko šarki kada se izloži ubrzanju po osjetljivoj osi. Šarke omogućavaju da masa rotira i tako pravi pritisak na mjerne trake. Kako su mjerne trake kratke čak i mali pomeraji izazivaju velike promjene otpornosti.
Izlaz ovakvog senzora je direktno proporcijonalan nivou ubrzanja odnosno vibracije.
4.3. Piezoelektrični akcelerometri Proizvode se isključivo od piezoelektričnih materijala – kristala kvarca, barijum titanata. U poslednje vrijeme, postoji trend zamjene barijum titanata olovo cirkonijum titanatom. O daljem načinu fabrikacije i razlozima zamjene barijum titanata, olovom cirkonijum titanatom konsultovati literaturu [3], [4], [5]. Princip rada ovih akcelerometara zasniva se na piezoelektričnim osobinama materijala od kojih se pravi, odnosno da se mehaničkim djelovanjem na ove materijale proizvodi razlika potencijala. Rade na frekvencijama od 2 kHz do 5 kHz. Dosta su linearni, otporni na šumove i imaju širok opseg temperature u kojem rade (do 120*C). 4.4. Termički akcelerometri
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Akcelerometri na principu zagrejane ploče Termički akcelerometri se za razliku od do sada pomenutih akcelerometara ne zasnivaju samo na mjerenju razdešenosti mase u odnosu na referentnu poziciju odnosno objekat već i na osobini prijenosa toplote. U ovom slučaju, masa koja se zagrijeva postavljena je blizu hladnjaka, odnosno između dva hladnjaka. Prostor između je popunjen termo-provodnim gasom. Masa se zagrijeva do neke temperature T1 i ukoliko nema ubrzanja, uspostavlja se ravnoteža između mase i hladnjaka. Količina toplote koja se provodi do hladnjaka kroz gas je u funkciji rastojanja mase od hladnjaka.
Slika 10.1 Akcelometar koji radi na principu zagrejane ploče Akcelerometri sa zagrejanim gasom Ove akcelerometre razvio je MEMSIK Korporejšn (MEMSIC Corporation) i oni koriste zagrejani gas kao seizmičku masu. Izrađuju se na CMOS čipu i mogu mjeriti ubrzanje odnosno pokret u dvije ose. Princip rada ovih senzora zasniva se na strujanju toplote. Kao što je poznato, toplota se može prenijeti zračenjem, strujanjem i provođenjem. Strujanje može biti prirodno (uzrokovano gravitacijom) ili vještačko (uz pomoć uređaja koji proizvode silu/kretanja koje pomjera toplotu). Konkretno, ovaj senzor mjeri interne promjene u prenošenju toplote unutar zatvorenog gasa. Prema tome, inercijalna masa ovog senzora je u stvari termički nehomogen gas. Ovi senzori su veoma otporni na agresivna okruženja i mogu izdržati promjene do 50.000 g.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Slika 11.1 – Akcelerometar na bazi zagrejanog gasa. Grijač se nalazi u sredini na silikonskom čipu a na jednakim rastojanjima od njega, na četiri različite strane nalaze se temperaturni senzori. Zapravo, lijevi i desni termoparovi su u stvari jedan termopar. Kada imamo nulto ubrzanje, izlaz termoparova je nula. Grijač se obično zagrijeva na temperaturu koja je daleko iznad temperature okruženja, i ona obično iznosi 200*C. Pri nekom ubrzanju, mijenja se temperaturna distribucija gasa te se zagrijani dio pomjera prema jednom od senzora. Prateći razliku u izlazima termoparova lako se utvrđuje pravac na kome djeluje ubrzanje i njegova promjena.
Žiroskopi Žiroskop posle kompasa čini najčešće korišćeni uređaj za navigaciju. Njegova prednost ogleda se da u odsustvu mentalnog polja. Pomoću njega utvrđuje pravac, zatim pozicija a indirektno mjeri ubrzanje. Žiroskop se drugačije naziva i čuvarem pravca.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Mehanički žiroskop sastoji se od masivnog diska koji rotira oko ose obrtanja koja je povezana na okvir koji može rotirati oko jedne ili dvije ose vješanja. U zavisnosti od broja osa obratanja žiroskop može biti sa jednim ili dva stepena slobode u vješanju. Slika 12.1-Rotorski žiroskopi Princip rada žiroskopa Kada točak (rotor) slobodno rotira on teži da očuva svoju poziciju u odnosu na osu. Ukoliko platforma žiroskopa rotira oko ulazne ose, žiroskop će razviti momenat oko upravne (izlazne) ose i tako preokrenuti svoj smjer obrtanja oko izlazne ose.
Slika 12.2 – Žiroskop
Monolitni silicijumski žiroskop
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Zbog svoje specifične konstrukcije konvencionalni mehanički žiroskopi nisu mogli postati jeftine komponente koje se mogu umanjiti i uključiti u široku upotrebu. Kako satelitski sistem za navigaciju nije moguće koristiti izvan zemljine orbite (odnosno u svemiru), ispod vode i u slučajevima kada su male dimenzije od najveće važnosti, bilo je potrebno dizajnirati moderne, male i relativno jeftine žiroskope koji mogu ući u masovnu upotrebu. Ovaj cilj dostignut je upotrebom tehnologije za izradu MEMS (mikro-elektro-mehaničkih-sistema) koja je omogućila izradu minijaturnih žiroskopa u kojima je rotirajući disk zamenjen vibrirajućim elementom. Ovaj način proizvodnje u sebi je sublimirao prednosti izrade i razvoja u elektronskoj industriji a uz to, vrlo lako se dostiže nivo proizvodnje. Svi vibrirajući žiroskopi se zasnivaju na fenomenu Koriolisovog ubrzanja. Koriolis je pokazao da se obični Njutnov zakon inercije može koristiti i za rotirajući okvir, inercijalnu silu, koja djeluje desno od smjera u kome se pokreće tijelo za pozitivni smijer rotacije referentnog okvira odnosno, koja djeluje lijevo od smjera u kome se pokreće tijelo za negativni smijer rotacije referentnog okvira, te da ovi stavovi moraju biti uključeni u jednačinu kretanja.
Slika 12.3-Koriolisovo ubrzanje
Dalje, Koriolisovo ubrzanje se pojavljuje uvijek kada se tijelo kreće linearno u referentnom okviru koji rotira oko ose koja je upravna na pravac linearnog kretanja. Rezultujuće ubrzanje, koje je direktno proporcionalno obrtanju javlja se u trećoj osi, koja je upravna na ravan koju obrazuju preostale dvije ose.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
U umanjenom, žiroskopu izrađenom korišćenjem tehnologije za proizvodnju MEMS, rotacija je zamenjena vibracijom a rezultujuće ubrzanje se može detektovati i povezati sa kretanjem. Umjesto da masa prati kružnu trajektoriju kao kod uobičajenog obrtanja – rotirajući žiroskop; masa se može osloniti i učiniti da se pomjera linearno.
Slika 12.4 – Koncept vibrirajućeg žiroskopa.
Optički žiroskop
Moderni žiroskopi za navođenje i kontrolu baziraju se na takozvanom Sagnakovom efektu. Sagnakov efekat opisuje šta se dešava sa svetlom, koje se u različitim smjerovima propusti kroz optički prsten koji može da rotira oko svog središta. Optički prsten se opisuje indeksom prelamanja i poluprečnikom. Snop svjetlosti se pri ulasku u prstenastu strukturu, pomoću ogledala dijeli na dva snopa koja treba da se kreću u suprotnim smjerovima. Snopovi se zatim vode kroz strukturu i pri povratku, prolaze kroz tačku u kojoj ulaze u svjetlovod. Tu se, upoređivanjem karakteristika ova dva snopa određuje 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
interferencija. Cjelokupna struktura, sa izvorom svjetlosti, prstenastim svjetlovodom, ogledalima koja dijele svjetlost i detektorom svjetlosti se naziva – Sagnakov interferometar. Sagnakov efekat je prema tome fenomen, na koji nailazimo kada zarotiramo opisanu interferometarsku strukturu oko njene
ose.
Slika 12.5 – Šematski prikaz Sagnakovog interferometra Ideja se sastoji u tome da se uporede interferencije svjetlosti u dv slučaja. Kada struktura rotira i kada struktura miruje. Razlika interferencija je proporcionalna ugaonoj brzini kojom struktura rotira.Kako prsten može da rotira nekom ugaonom brzinom oko svog središta, vrijeme koje će svjetlosti Slika 12.6-Putanje u biti potrebno da obiđe prsten biće okviru optičkog različito i zavisiće od toga u kom je smjeružiroskopa propušteno svjetlo kroz provodnik u kojom ugaonom brzinom i u kom smjeru protira prsten. Iz ovoga slijedi da će putanje koje svjetlost prelazi biti različite.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Prema tome, jednačinom
razlika
između
putanja
može
se
opisati
Jun 2012
∆l=4πΩR^2/nc
(3) [4]
Gdje je s – brzina svjetlosti, n – indeks prelamanja a Ω ugaona brzina. U praksi, optički žiroskopi se izrađuju sa optičkim rezonatorom ili sa optičkim namotajem sa većim brojem namota. Optički rezonator se sastoji od optičke petlje koju formira razdelnik laserskog zraka. Kada dolazeći zrak ima rezonantnu frekvenciju optičkog prstena, jačina svetlosti koja izlazi iz njega opada.
Slika 13.1– Optički rezonator i optički žiroskop Optički žiroskop sa namotajem se sastoji od izvora svetlosti i detektora koji su priključeni na optički razdelnik. Polarizator svjetlosti se nalazi između detektora i drugog razdelnika kako bi se osiguralo da oba, kontra-propagirajuća zraka putuju istom putanjom u optičkom namotaju. Dva zraka se miješaju i sudaraju u detektoru koji prati promjene kosinusnog intenziteta
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
svjetlosti uzrokovane rotaciono-indukovanim faznim promjenama između dva zraka. Ovaj tip optičkog žiroskopa je relativno jeftin, mali i osjetljiv. Pomenuti žiroskop se koristi za mjerenje uglova i zakrivljenja, stabilizaciju visine i žirokompasing. Glavna prednost ovih žiroskopa se ogleda u činjenici da rade u veoma agresivnim okruženjima u kojima bi bilo teško ili nemoguće koristiti mehaničke žiroskope.
4.6. Piezoelektrični kablovi Piezoelektrični kablovi služe za mjerenje sile ali se indirektno mogu mjeriti brzina i ubrzanje. Kada su pod pritiskom, putem piezoelektričnog efekta, stvaraju električni signal u svom unutrašnjem provodniku. Senzori su dizajnirani tako da budu osjetljivi na sile koje djeluju vertikalno na njih. Kada su dobro instalirani, mogu trajati do pet godina što ih čini i veoma isplativim. Piezoelektrični kabel može se izraditi u dvije varijante. Prva vrsta je piezoelektrični kabel u čijem središtu se nalazi provodnik a između njih i izolatora odnosno zaštitnog sloja, nalazi se visoko-kompresovani piezoelektrični prah. Prečnik ovako izrađenog kabela je oko 3 mm. Piezoelektrični kabel se obično na jednom kraju spoji sa kablom otpornosti
Slika 13.3Piezoelektrični kabel sa pimerskim filmom
Slika 13.2Piezoelktrični kabel sa provodnikom Drugu vrstu odlikuje korištenje polivinilidenfluorida (PVDF) – polimerskog filma kao komponente za izolaciju kabla. Kako se 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
polivinilidenfluroid može napraviti sa piezoelektričnim osobinama, tako se od njega može načiniti piezoelektrični kabel. Kada silom djelujemo na kabel, piezofilm je pod pritiskom što vodi stvaranju električnih napona različitih polariteta na njegovoj površini. Prije ugradnje ovog kabela potrebno je izvršiti kalibraciju zato što izlazni signal ne zavisi samo od kabla, već i od sredine u kojoj se kabel nalazi. Ovi kablovi mogu detektovati udaljene vibracije malih amplituda a opet mogu izdržati i pritiske veoma velikih sila – do 100 MPa. Temperature pri kojima se ovi kablovi mogu koristiti nalaze se u opsegu od –40*C do 125*C.
Slika 13.4-Tipičan primjer ugradnje piezoelektričnih kabela
Slika 13.5-Tipičan odziv piezoelektričnih kabela
Zbog svojih osobina, ovi senzori se upotrebljavaju u različite svrhe. Piezoelektrični kablove se mogu koristiti za praćenje vibracija sečiva u motorima mlaznih aviona, za detekciju insekata u silosima, nadgledanje gustine saobraćaja, pri izradi alarma, brava za automatsko otvaranje itd.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Tabelarni prikaz senzora Tabela 1 – Uporedna tabela akcelerometara Tip akcelerometra
Prednosti
Piezoelektrični akcelerometri
Mogu raditi na temperatura ma do 700*C; Širok dinamički opseg; Širok frekventni opseg;
Ograničenja
Tipična primjena
Potrbno je više Mlazni motori; pažnje pri Visoke instalaciji i temperature; održavanju; Parne cijevi; Kapacitivno Turbo Mašine; opterećenje dugačkih Parne turbine; kablova Izduvnici; rezultuje povećanjem Kočnice praga šuma;
Potrebno je da Veoma su koristi posebne otporni na kablove koji udare/šakove prizvode mali ; šum. Jednostavan dizajn. Piezorezistivni akcelerometri
Jednsmjerni odziv; Mali su.
Manja zaštita Testiranje od sudara; udara/šokova; Testiranje Manji dinamički letova. opseg.
3 0
Univerzitet u Tuzli
Kapacitivni akcelerometri
Jednosmjeni odziv;
Jun 2012
Bolja rezolucija nego kod piezorezistiv nih akceleromet ara
Frekventni Testiranje opseg; Srednja mostova; rezolucija. Vazdušni jastuci; Alarmi.
Tabela 2 – Tipične karakteristike akcelerometara. [3]
Tip
Piezoelektrič ni akcelerometr i
Frekvent ni opseg
Osetljivos Mjerni t opseg
Dina Veličina/te mički žina opseg
0.5 – 0.1 pC/g 0.00001 ∼11 0.14 50000 Hz – 100 g – 0 dB 200+ pC/g 10000 g grama
Piezorezistiv 0 – 10000 0.001– ni Hz 10 mV/g akcelerometr i
0.001– 100000 g
Kapacitivni 0 – 1000 10 mV/g 0.00005 akcelerometr Hz – 1 V/g – 1000 g i
∼80 dB
1–100 grama
∼90 dB
10–100 grama
Primjer konkretne primjene piezoelektričnog kabela
3 0
–
Univerzitet u Tuzli
-Definicija problema Jun 2012
Dvadeseti vijek bio je vijek automobila i velikih gužvi i zastoja na saobraćajnicama. Saobraćajni inženjeri uradili su mnogo na projektovanju saobraćajnica koje će biti u stanju da opsluže vozila različitih kategorija. Međutim, broj vozila se iz godine u godinu uvećava te klasične metode određivanja gustine saobraćaja postaju skupe i krajnje nepraktične obzirom da danas više nije od interesa samo frekvencija saobraćaja već i njegov tip. Vrlo je bitno odrediti da li nekom saobraćajnicom prolaze putnička vozila, ili teški kamioni ili autobusi. Kako je korištenje elektronike najbolja opcija za brzo i jednostavno rješavanje problema , postaje prirodno da pomenutom problemu pristupe inženjeri elektrotehnike i ponude rješenje problema.
Prijedlog rješenja Sa rastućom zabrinutošću u vezi sa povećanjem frekvencije saobraćaja i preranim urušavanjem putne infrastrukture uzrokovanim prije svega tranzitiranjem kamiona, inžinjeri saobraćaja su počeli da tragaju za rješenjima klasifikacije saobraćaja. Konkretno, bilo je potrebno utvrditi gustinu saobraćaja i masu vozila koja saobraćaju kako bi se saobraćaj bolje organizovao i eventualno preusmjeravao.
U početku su bile korišćene mjerne trake koje su se ugrađivale u ploče, koje su se potom postavljale na put. Kako su one bile jako skupe, često se donosila odluka da se kupuju jeftine a samim tim i manje kvalitetne mjerne trake. Stoga, su inženjeri saobraćaja tražili transdjuser koji može dati informacije o frekvenciji saobraćaja i osovinskom opterećenju vozila koje prelaze preko njih a koji će u isto vrijeme biti jeftin, neće zahtjevati često održavanje i koji će se moći ugraditi ispod površine asfalta. 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Obični piezoelektrični kablovi se nisu pokazali kao dobro rješenje obzirom na slabu uniformnost koju su pružili, probleme pri ugrađivanju i odziv koji su stvarali na horizontalne sile koje nisu od važnosti.
Ukratko, za rješenje ovog problema potreban je fleksibilan senzor koji će stvarati odziv samo na vertikalne sile, biti jednako polarisan i iznad svega testiran na uniformnost i posle stavljanja u zaštitni oklop.
Kao rješenje za ovakve zahtjeve nameće se upotreba piezoelektričnih kablova koji se izgrađuju sa polivinilidenfluoridom (PVDF) – polimerskim filmom kao jedne od komponenti za izolaciju kabla. Polivinilidenfluorid pokazuje veoma velike piezo-aktivne osobine kada je polarisan i znatno je bolji od piezokeramičkih materijala.
Tabela 3 – Poređenje naponskog koeficijenta osjetljivosti. [3]
Piezo keramika (Va Piezo kabel TiO) keramikom
5 x 10^-3 Vm/N
sa Piezoelektrični kabel sa polivinilidenfluorido m
10 x 10 ^-3
216 x 10^-3 Vm/n
Vm/N
Sumirano, piezoelektrični (PVDF) kablovi mogu se lako ugraditi u postojeću putnu infrastrukturu, imaju dobru toleranciju prema promjenama temperature koje mogu biti veoma ekstremne ukoliko se radi o površinama koje su izložene čestim i vrlo 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
agresivnim promjenama vremenskih prilika, kao što je slučaj sa putevima. Piezoelektrični kablovi sa polivinilidenfluoridom daju signal koji je uniforman i može se lako obraditi uz pomoć jednostavne elektronike. Dalje, ovi kablovi su najosjetljiviji piezoelektrični kablovi koji ispunjavaju navedene uslove problema i koji su relativno jeftini za ugradnju i upotrebu. Sagledavši sve izložene zahtjeve, opredeljivanje za piezoelektrične (PVDF) kablove nameće se kao logično i najisplativije. U korist ovog zaključka ide i činjenica da je do sada, širom SAD, uspješno instalirano već 600 ovakvih senzora. Njihovi rezultati pokazuju da će korištenje ovih senzora biti isplativo i da će u potpunosti izaći u susret svim zahtjevima saobraćajnih inženjera.
Prijedlog senzora koga treba koristiti
Kao prijedlog konkretnog senzora koji može da se koristi za svrhu određivanja gustine, frekvencije i tipa saobraćaja koristi piezoelektrični kabel kompanije Kinar (Kynar) – obzirom da nije bilo moguće pronaći druge proizvođače. Dizajniran je kao i svaki drugi koaksijalni kabel. Zbog svog specifičnog koaksijalnog dizajna kabel je zaštićen od elektromagnetskih smetnji. Veoma je robustan i može izdržati velika opterećenja (npr. kamione) a idealni su za «nadgledanje» velikih površina. Nude se dvije vrste piezo kablova, kopolimerni i spiralni. U kopolimernoj izvedbi, specijalna verzija piezo materijala upresovana je direktno u kabel a potom polarizovana. U spiralnoj izvedbi, polivinilidenfluoridni film je obmotan oko unutrašnjeg provodnika – obično bakarne žice. Kopolimer je mnogo skuplji kao sirovina i dostupan je samo u ograničenim količinama. Ipak, pogrešno je zaključiti da će kopolimer u budućnosti biti teži za nabavku zbog trenutnog ograničenja u količinama obzirom da se tehnologija izrade kilometara ubrzano razvija. 3 0
Univerzitet u Tuzli
Jun 2012
Slika 14.1-Kopolimerski kabel
.
Slika 14.2-Kabel sa spiralno uvijenim piezo filmom
Osobine:
-
pasivni i dugačak senzor; fleksibilan, robustan i vodootporan; temperaturana stabilnost do 85*C; samozaštićena koakcijalna konstrukcija; visokonaponski odziv; mala impedansa po jedinici dužine; moguće ih je popravljati na licu mjesta; pojednostavljene interkonekcije između kablova.
Tabela 4 – Naponski koeficijenti osjetljivosti i piezo koeficijenti naelektrisanja [3]
Tipične
Jedinice
Spiralni
osobine
Kopolimers ki
Prečnik
2.69
2.72
pF/m
950
655
Težina
Kg/km
14.5
15.5
Hidrostatički
pC/N
20
15
Kapacitansa 1 kHz
mm na
3 0
Univerzitet u Tuzli
piezo koeficijent Jun 2012
Hidrostatički piezo koeficijent
Vm/N
150 x 10^3
Slika 15.1-Odnos Slika 15.2-Odnos osjetljivosti prema amplitude prema pritisku pritisku U dodatku je priloženo tipično kolo za piezoelektrični kabel dužine 100 metara, koji treba da bilježi pritiske uzrokovane velikim silama (koje mogu prouzrokovati kamioni) koje odlikuju male frekvencije (od 0.1 do 10 Hz). Zaključak Uzimajući u obzir sve činjenice do sada navedene, kao i statističke podatke koji su izloženi u radu, može se sa sigurnošću tvrditi da će piezoelektrični kablovi, kao vrste senzora za mjerenje brzine i ubrzanja, biti sve masovnije korišćeni. Korist koju je moguće dobiti korišćenjem ovih senzora ogleda se najviše u činjenici da će saobraćaj biti inteligentnije ustrojen i da bi smo saobraćajem mogli da upravljamo i dugoročno ga planiramo. Dalje sprezanjem ovakvog sistema sa sistemom za svjetlosno signaliziranje na saobraćajnicama mogao bi biti jedan
3 0
Univerzitet u Tuzli
od načina da se saobraćajne gužve u velikim gradovima umanje ili čak u potpunosti izbjegnu. Jun 2012
Spektar problema koji će ovi senzori biti u mogućnosti da riješe moćićemo da uvidimo tek nakon što se počne sa njihovom masovnom upotrebom.
LITERATURA: •
http://c2.etf.unsa.ba
•
http://hr.wikipedia.org/wiki/Senzorika
•
http://www.infoteh.rs.ba
•
http://www.scribd.com
•
http://www.elektroway.hr
• http://www.sau.ac.me
3 0
Univerzitet u Tuzli
• http://hr.polar.fi Jun 2012
• http://www.senzor.hr/ • http://senzor.ocjajce.com/
3 0