Univerzitet u Tuzli
Univerzitet u Tuzli Fakultet elektrotehnike Smjer: Automatika i robotika Akademska 2015/2016 !odina !odina
MJERENJA U AUTOMATICI I ROBOTICI Tema: Senzori brzine
Studenti:
Asistenti"a:
Selimovi# Selma
$dina %&a'i#( di)lin!el
*mi# A
3
Univerzitet u Tuzli
Sadržaj: Uvod2 +odjela senzora za mjerenje brzine brzine, , -a)a"itivni senzori brzine, Senzori brzine na bazi holovo! e'ekta. Senzori brzine na bazi %o)lerovo! e'ekta5 ajsavremeniji naini mjerenja brzine brzine +odjela senzora za mjerenje ubrzanja3 +iezoelektrini senzori ubrzanja3 +iezoelektrini kristali10 kristali10 -a)a"itivni ak"elometar1, ak"elometar1, +iezorezistivni ak"elometar1, ak"elometar1, +iezoelektrini ak"elometar ak"elometar1. 1. Termiki ak"elometar ak"elometar15 15 Ak"elometar sa za!rejanim za!rejanim !asom15 !asom15 4irosko)16 onolitni sili"ijumski &irosko)13 &irosko)13 *)tiki &irosko) &irosko)1 1 +iezoelektrini kablovi22 kablovi22 +rijedlo! rje7enja rje7enja26 26 +rijedlo! senzora koje treba koristiti 2 8akljuak,0 9iteratura,1
3
Univerzitet u Tuzli
Sadržaj: Uvod2 +odjela senzora za mjerenje brzine brzine, , -a)a"itivni senzori brzine, Senzori brzine na bazi holovo! e'ekta. Senzori brzine na bazi %o)lerovo! e'ekta5 ajsavremeniji naini mjerenja brzine brzine +odjela senzora za mjerenje ubrzanja3 +iezoelektrini senzori ubrzanja3 +iezoelektrini kristali10 kristali10 -a)a"itivni ak"elometar1, ak"elometar1, +iezorezistivni ak"elometar1, ak"elometar1, +iezoelektrini ak"elometar ak"elometar1. 1. Termiki ak"elometar ak"elometar15 15 Ak"elometar sa za!rejanim za!rejanim !asom15 !asom15 4irosko)16 onolitni sili"ijumski &irosko)13 &irosko)13 *)tiki &irosko) &irosko)1 1 +iezoelektrini kablovi22 kablovi22 +rijedlo! rje7enja rje7enja26 26 +rijedlo! senzora koje treba koristiti 2 8akljuak,0 9iteratura,1
3
Univerzitet u Tuzli
UVOD: Šta je enzor ! -ako -ako bi re!ist re!istrir rirali ali i izmjer izmjerili ili 'izik 'izikee velii veliine ne tijeko tijekom m izvoe izvoenja nja neko! neko! )okusa )otrebno je koristiti od!ovaraju#e senzore Takva osjetila trebaju 'izik 'izikee )ojave )ojave )retvo )retvorit ritii u elektr elektrin inee si!nal si!nalee )rila! )rila!oe oene ne na)ons na)onskim kim nivoima Senzori se koriste u svakodnevnim )redmetima( kao 7to su )ozivna du!mad li'ta ;osjetilni senzor< ili lam)a koja se )ali na dodir +ostoje i mno!e dru!e a)lika"ije o koijma ljudi uo)#e ne razmi7ljaju )rimjene ukljuuju automobile( automobile( letjeli"e( medi"inu( medi"inu( )roizvodnju i robotiku robotiku Senzor je ureaj koji )rima si!nal i rea!uje na nje!a ili na neki )oti"aj +oti"aj mora biti konvertovan u elektrinu 'ormu 'ormu Si!n Si!nal al tako tako ko konv nver erto tova vann mo&e mo&e biti biti ko kori ri7t 7ten en dalj daljee u elek elektr tron oni iki kim m ureaj ureajima ima Senzor Senzorii mo!u mo!u biti biti veoma veoma os osjet jetlji ljivi( vi( zavisn zavisnoo od namjen namjene e %obar senzor je osjetljiv na mjerenu osobinu( ujedno je neosjetljiv na bilo koju dru!u nebitnu a )risutnu osobinu Senzor ne utie na mjerenu osobinu Svi &ivi or!anizmi )osjeduju biolo7ke senzore sa 'unk"ijama slinim kao kod ve# o)isanih ureaja =e#ina )rirodnih senzora su s)e"ijalizovane #elije koje #elije koje su osjetljive na: svjetlo( svjetlo( )okret( )okret( tem)eraturu( tem)eraturu( ma!netno )olje( )olje( !ravita"iju( !ravita"iju( vla& vla&no nost st(( vibra"ije( vibra"ije( )ritisak ( elek elektr tri ino no )o )oljlje( e( zvuk ( i dru!e 'izi 'izik kee )o )oja jave ve iz ok okru ru&e &enj nja a %ru! %ru!ii biol biolo7 o7ki ki senz senzor orii ko kojiji se nazi naziva vaju ju unutra7njim( jesu osjetljivi na istezanje( )okret or!anizma i nesvjesni osje#aj )okreta i )rostorne )ozi"ije Šta je brzina! >rzina ina je 'izi izika veliin ina koja ujedno )reds edstavlja i dinamike kara karakt kter eris istitike ke ob obje jeka kata ta >rzi >rzina na mo&e mo&e biti biti linea linearn rnaa i u!ao u!aona na >rzi >rzina na )restavlja )rvi izvod )ozi"ije )o vremenu +oznavaju#i )romjenu )ozi"ije objekta u )rirodi( mo!u#e je odrediti i )omenutu veliinu ?zraunavanje dinamikih karakteristika objekata ija je 'rekven"ija reda veliine 1@z mo&e se izvr7iti )omo#u senzora za )ozi"ioniranje eutim( nala&enje brzine i ubrzanja )omo#u senzora )ozi"ije )ostaje kom)liko ikovanije ije sa )orastom 'rekven"ij "ije te je za )rimjenu na 'rekven"ijama manjim od 1 k@z bolje koristiti ureaje za mjerenje brzine" brzine"
3
Univerzitet u Tuzli
#odje$a enzora za mjerenje brzine %obzirom na ti& 'retanja(: Senzori za mjerenje $inearne brzine ;transla"ija< Senzori za mjerenje )*aone brzine ;rota"ija< Translatorna brzina mjeri se u o)se!u od 0B15 000 m/s U!aona brzina mjeri se u o)se!u 0 B 20 000 rad/s Metode mjerenja brzine ehanike metode $lektrine metode a!netne metode Cadija"ijske metode +omo#u )o!odno! )renosno! mehanizma linearna brzina obino se )retvara u u!aonu 8ato #e se )osebna )a&nja u nastavku )osvetiti senzorima u!aone brzine etode mjerenja u!aone brzine: 1 jerenje brzine kori7tenjem senzora )omjeraja 2 Taho!eneratori , *)toelektronski senzori brzine . Celuktantni i induktivni senzori brzine 5 -a)a"itivni senzori brzine 6 Senzor na bazi @olovo! e'ekta Senzori brzine na bazi %o)lerovo! e'ekta
+a&a,iti-ni enzori brzine +ostoji ve#i broj konstruk"ija ka)a"itivnih senzora Senzor na sli"i desno sastoji se od jedne eks"entrine )loe kojase obr#e sa osovinom i jedne ne)okretne )loe +rilikom obrtanja dolazido )eriodine )romjene aktivne )ovr7ine )loa( a time i do )romjene ka)a"iteta senzora 8a mjerenje se mo&e )rimijeniti kolo sa jednosmjernim na)ajanjem kao na sli"i dolje *t)ornost u kolu se bira tako da bude zadovoljen uvjet : Slika 11ka)a"itivni senzor 3
Univerzitet u Tuzli
jer tada Uizl ima konstantnu am)litudu Frekven"ija na)ona je jednaka ' ili njenom umno7ku -ao indikator se koristi di!italni 'rekven"metar ili voltmetar ako je is)unjen na)rijed navedeni uvjet za vremensku konstantu+ri malim Slika 12+rin"i) rada senzora u!aonim brzinama izlazni na)on )ostaje vrlo mali( )a se jednosmjerno kolo ne mo&e )rimjeniti >olje )er'ormanse tada daje kolo na)ajano izmjeninim na)onom -ada su )romjene ka)a"itivnosti relativno male i kada one imaju oblik )rosto)eriodine 'ink"ije izlazni na)on mo&e se )rikazati kao:
Slika 1,+rin"i) rada sa modulatorom ?zlazni na)on )redstavlja am)litudno modulisani si!nal )a je na taj nain donja !ranina 'rekven"ija )omjerena )raktino do nule-a)a"itivni senzori se i)ak relativno rijetko koriste u komer"ijalne svrhe za mjerenje u!aone brzine
Senzor brzine na bazi .o$o-o* e/e'ta *sjetilni element je )oluvodika )loi"a( ;obino od ?ndijum arsenida<(kroz koju )rotie konstantna struja ?h Ako se )loi"a nalazi u homo!enom ma!netnom )olju induk"ije >( na njenim krajevima se javlja na)on:
3
Univerzitet u Tuzli
d B debljina )loi"e -h holova konstanta
Slika 21+rin"i) rada senzora na bazi @olovo! e'ekta *snovna )rimjena @olovo! senzora je za mjerenje ma!netne induk"ije > eutim njime se mo&e mjeriti i brzina( kada se njim izaziva )romjena ma!netne induk"ije Senzor za mjerenje u!aone brzine sastoji se od stalno! ma!neta i ma!netno! kola ija se ot)ornost )eriodiki mijenja )ri obrtanju osovine @olov senzor se nalazi u zranom )ro"je)utako da dolazi do )eriodine )romjene induk"ije > ime se !eneri7u na)onski im)ulsi ija je 'rekven"ija direktno )ro)r"ionalna u!aonoj brzini Am)lituda je konstantna
Senzori brzine na bazi Do&$ero-o* e/e'ta %o)lerov e'ekat ;Dhristian %o))ler ;130,135,<< je )ojava da zbo! kretanja )rijemnika ili izvora talasa ;)redajnika< dolazi do )romjene 'rekven"ije talasa( na strani )rijemnika +romjena 'rekven"ije )ro)r"ionalna je brzini kretanja izvora ili )rijemnika +osmatrajmo izvor talasa i )rijemnik: ako su izvor talasa i )rijemnik ne)okretni u odnosu na sredinu kroz koju se talas 7iri('rekven"ija koju )rima )rijemnik jednaka je 'rekven"iji izvora / ako se izvor talasa i )rijemnik jedan u odnosu na dru!o!relativno kre#u( tada )rijemnik )rima dru!aiju 'rekven"iju /0 od one koju emitira izvor / Cazlikujemo dva sluaja: a< ?zvor miruje ;vi E 0<( )rijemnik se kre#e brzinom v) 3
Univerzitet u Tuzli
b< ?zvor se kre#e brzinom vi ( )rijemnik miruje ;v) E0< a( Iz-or mir)je %-i 1 2(3 &rijemni' e 're4e brzinom -& ?zvor koji miruje emituje talas 'rekven"ije / 1 -5 !dje je talasna du&ina( a - brzina talasa +rijemnik re!istrira talase 'rekven"ije /0" Ako se )rijemnik kre#e brzinom -& relativna brzina talasa u odnosu na )rijemnik je: ;6 )ribli&avanje 7 udaljavanje< Frekven"ija koju )rijemnik re!istrira je:
E
Slika ,1Senzor na bazi do)lerovo! e'ekta b( Iz-or e 're4e brzinom -i 3 &rijemni' mir)je %-& 12( U ovom sluaju mijenja se talasna du&ina za iznos )uta koje! je izvor )re7ao )rema )rijemniku za vrijeme trajanja jedne )eriode talasa T Talasna du&ina se u smjeru kretanja izvora skrati u jednom )eriodu T na vrijednost Frekven"ija koju re!istrira )rijemnik je:
8 )ribli&avanje izvora 3
Slika ,2Senzor na bazi do)lerovo! e'ekta
Univerzitet u Tuzli
6 udaljavanje izvora
Naja-remeniji na9ini mjerenja brzine +oslednjih !odina je trend da se brzina i ubrzanje mjere )omo#u sistema satelita za !lobalno )ozi"ioniranje ;G+S B Global +ositionin! sHstem< koji se nalazi u 8emljinoj orbiti 8ahvaljuju#i izuzetnoj )re"iznosti i rezolu"iji sa kojima o)eri7u sateliti i ureaji koji se nalaze u samom objektu ije se kretanje )rouava( mo!u#e je vrlo tano dobiti vrijednost brzine odakle se dalje( di'eren"iranjem dobijeno! rezultata lako izraunava i ubrzanje *vaj nain mjerenja je dobar ukoliko se radi o ve#im objektima koji )relaze srednje i velike razdaljine ;avioni( brodovi( vozovi( )utniki automobili itd< i u dometu su satelita Ukoliko radimo sa malim objektima( malim razdaljinama( telima koja izlaze van dometa satelita ili objektima ije kretanje ne sme biti nadzirano ili kom)romitovano komunika"ionom mre&om ;bojna vozila( interkontinentalne balistike rakete( )odmorni"e itd< )rimjena satelita nije rje7enje ?deja na kojima se zasnivaju ureaji koji treba da rade u ovim uslovima je mjerenje razde7enosti u odnosu na neki re'erentni objekat( koji je obino sastavni dio senzora ?)ak u nekim sluajevima( senzori ne koriste )rin"i) razde7enosti )o7to je mo!u#e dobiti elektrini si!nal direktno )ro)or"ionalan )romjeni brzine/ubrzanja objekta koje! )rouavamo a ovom )rin"i)u radi i
3
Univerzitet u Tuzli
elektroma!netni
senzor
brzine
;slika
1<
Slika .1 B +rin"i) rada elektroma!netno! senzora brzine Ukratko( izlazni na)on namotaja je direktno )ro)or"ionalan relativnoj brzini ma!netno! jez!ra koje se )omjera ajve#a mo!u#a brzina koju je mo!u#e odrediti ovim instrumentom zavisi najvi7e od ulaznih kom)onenti elektronsko! kola za obradu si!nala ajmanja brzina koju je mo!u#e odrediti ovim instrumentom zavisi od !rani"e 7uma koju )roizvodi elektronska o)rema u blizini ureaja i mo!u#nosti da se on 'iltrira/otkloni
#odje$a enzora za mjerenje )brzanja
Senzori sa )ominim seizmikim elementom i o)ru!om Senzori kom)enza"iono! ti)a ;servoak"elerometri< Senzori na bazi tenzoelementa #iezoe$e'tri9ni enzori )brzanja
Ubrzanje je neo)hodan )arametar u sistemima u)ravljanjakretanjem "entra mase )okretnih dijelova Senzori za mjerenje ubrzanja zovu se ak"elerometri Iedini"a translatorno! ubrzanja m/s2 Iedini"a u!aono! ubrzanja rad/s2
3
Univerzitet u Tuzli
Mjerenje )brzanja &iezoe$e'tri9nim enzorima #iezoe$e'tri9ni e/e'at se javlja kod nekih vrstih tijela i )redstavlja vid konverzije mehanike u elektrinu ener!iju -ada se )iezoelektrini materijal )odvr!ne mehanikoj de'orma"iji na nje!ovoj )ovr7ini !eneri7e se odreena koliina elektrino! naboja aj)oznatiji )iezomaterijalisu: kvar" ;Si*2<( Senjetova so( >arijum titanat ; >aTi*,< itd ?I$ *GUJ$ I$C?T? STAT?K-A U>C8AIA -oliina naboja )od djelovanje sile F je:
α – piezoelektrični koefcijent tzv. Piezomodul
Slika 51)iezoelektrini senzori
+iezoelektrini senzora daje izravno elektrini izlaz i nije )otrebno na)ajanje B aktivni senzor U elektrinom )o!ledu to su izolatori %a bi se mo!ao mjeriti naboj kristal se ume#e izmeu elektroda te se na taj nain 'ormira kondenzator:
9on!itudinalna de'orma"ija
Slika 52 %e'orma"ija na smi"anje
Slika 5, Slika 5.s )romjenjivim dielekrikom 3
Univerzitet u Tuzli
?zvedba ak"eleromenta -oji koristi e'ekat )osmaka
?zvedba ak"elerometra koji koristi lon!itudinalni e'ekat
Slika 56 Slika 55
Nadomjena &iezoe$e'tri9'o*a 'rita$a
ema
%akle( uz konstantnu silu F struja i / bit #e jednaka nuli +ri statikoj de'orma"iji indukuje se so)stvene )rovodnosti senzora indikatora jedna odreena koliina Slika 61)iezoelektrini kristal elektri"iteta koja se relativno brzo )razni )reko senzora( )rikljunih veza i indikatora 8bo! to!a ovi senzori ne mo!u dvati izlazni si!nal )ri sta"ionarnom djelovanju ulazne veliine *vi senzori se iskljuivo koriste za dinamika mjerenje ubrzanja )ri vibra"ijama*ve senzore karakteri7e velika osjetljivost i male dimenzijeUnutarnja im)edansa je vrlo velika )a se za mjerenja moraju koristiti instrumenti ekstremno velike ulazne ot)ornosti *vi senzori se koriste za mjerenje ubrzanja kod vibra"ija i im)ulsnih )ojava kao 7to su udari i eks)lozije *snovni djelovi senzora su )iezoelektrina )loi"a i seizmiki element mase m
3
Univerzitet u Tuzli
+ri ubrzanju masa m djeluje na )loi"u silom F E ma !eneri7u#i na )loi"i naelektrisanje L *vi senzori imaju jako dobre karakteristike )a se koriste i kaosekundarni etaloni ubrzanja U dinamikom )o!ledu )redstavljaju sistem dru!o! reda +ara'teriti'e )re;aja za mjerenje )brzanja +rin"i)ski( ureaj za mjerenje ubrzanja B ak"elerometar se mo&e )redstaviti kao ureaj sa jednim ste)enom slobode koji ima masu ;seizmiku odnosno iner"ijalnu<( o)ru!u i )ri!u7iva na ko!a se masa oslanja +rije u)otrebe( ak"elerometar je )otrebno kalibrisati %obro knstruisan( instaliran i kalibrisan ak"elerometar treba da ima jednu lako uoljivu )rirodnu ;rezonantnu< 'rekven"iju i ravan 'rekventni odziv u kojem se mo!u izvr7iti najtanija mjerenja-ako se 'rekven"ija vibriranja mijenja( izlaz bjerno oslikava )romjenu i to bez umno&avanja si!nala u 'rekven"ijskoj karakteristi"i ak"elerometra Slika 1Iedno od rje7enja ak"elerometra sa seizmikom masom
3
Univerzitet u Tuzli
Slika 2Frekven"ijska karakteristika ak"elerometra +ri kalibra"iji treba odrediti neke karakteristike ak"elerometra: 1Ojet$ji-ot je odnos elektrino! izlaza )rema mehanikom ulazu Kesto se ova vrijednost )restavlja kao volt )o jedini"i ubrzanja B 1 =/! ;!E30665 m/sM2
Univerzitet u Tuzli
-ako je oblast mjerenja brzine i ubrzanja od velike ba&nosti u )ra#enju tehnolo7kih )ro"esa i ma7ina( tako su nastali ak"elerometri razliitih konstruk"ija *sim 7to se razlikuju )o konstruk"iji( razlikuju se i )o karakteristikama i okru&enjima u kojima mo!u raditi( odnosno u kojima se )okazuju kao najadekvatniji ?)ak( treba re#i da je osnovni )rin"i)( )o kojem rade ak"elerometri u ovom )o!lavlju( u stvari )rin"i) o)isan u tre#em )o!lavlju B konstruk"ija sa o)ru!om( te!om i )ri!u7ivaem tj jutnov zakon AEF/m;1< Cazlike meu ovim ak"elerometrima su u stvari u nainu oitavanja razde7enosti iner"ijalne mase od )oetno! )olo&aja >"?" +a&a,iti-ni a',e$erometri ?deja ka)a"itivnih senzora je da mjere )romjene ka)a"itanse odnosno na )re"iznom bilje&enju razde7enosti iner"ijalne ;seizmike< mase u odnosu na neki re'erentni objekat( naje7#e sam senzor Sto!a se ka)a"itativni senzor ubrzanja sastoji iz dva dijela odnosno )loe( ne)okretne ;koja je naje7#e )ovezana sa samim ku#i7tem< i )okretne koja je )ovezana sa masom iju razde7enost u odnosu na re'erentni )olo&aj/tijelo mjerimo Svaki transdjuser )okreta koji mo&e mjeriti mikrosko)ske )omeraje )od uti"ajem jakih vibra"ija ili linearno! ubrzanja mo&e biti dio ak"elerometra 8nanje iz mehatronike omo!u#ava nam da jedan takav transdjuser )re)oznamo u ka)a"itivnim senzorima ?z )o!lavlja mehatronike koja se bavi ka)a"itivnim senzorima vidjeli smo da se ka)a"itivnost menja )ro)or"ijonalno sa ubrzanjem ;odnosno brzinom )romjene )olo&aja mase u odnosu na re'erentno tijelo< aksimalna razde7enost koju je mo!u#e izmjeriti ka)a"itativnim ak"elerometrom rijetko dosti&e 20 3
Univerzitet u Tuzli
m
Sto!a( tako mala vrijednost zahtjeva )ouzdanu kom)enza"iju smetnji *vo se naje7#e )osti&e kori7#enjem di'eren"ijalne tehnike )ri emu se "ijeloj konstruk"iji dodaje jo7 jedan kondezator -ada se masa )omjeri )rema !ornjoj )loi za neko EFm/k -ako tem)eratura mo&e uti"ati na rezultat mjerenja( )otrebno je )rije sve!a tem)eraturno kalibrisati senzor na kom)letnom tem)eraturnom o)se!u unutar koje! senzor treba da radi Takoe )re)oruljivo je da se Slika 31-a)a"itivni ak"elometar na)rave odreene korek"ije uti"aja tem)erature )ri obradi izlazno! si!nala -a)a"itativni ak"elerometri su jedni od naj)ouzdanijih i najstabilnijih ureaja za mjerenje ubrzanja >"@" #iezoreziti-ni a',e$erometri +iezorezistivni ak"elerometri su ureaji koji u sebi objedinjavaju mjerne trake i o)ru!e aime( mjerne trake mjere o)tere#enje koje )ravi masa koja je )rivr7#ena za o)ru!u koja je u vezi sa mjernom trakom ?stezanje mo&e biti direktno )ovezano sa odstu)anjem mase od ravnote&no! )olo&aja a na)rezanje se )renosi )reko o)ru!e *vi ureaji mo!u raditi na 'rekven"ijama do 1, k@z i izdr&ati udare do 10000 ! ;!E30665 m/sM2< %a bismo jasnije razumjeli kako rade ovi senzori( na)ravi#emo kra#i osvrt na nain njihove )roizvodnje U unutra7njem sloju odnosno jez!ru nalazi se iner"ijalna masa i elastine 7arke asa je )rivr7#ena za 7arke koje su u vezi sa mjernim trakama jerne trake tako bilje&e kretanje oko 7arki %ru!a dva silikonska sloja su osnova i )oklo)a" koji slu&e da sauvaju unutra7nje dijelove od uti"aja s)olja +ri tome( oba )omenuta dijela neo!raniavaju masu tako da se ona mo&e kretati unutar senzoraUreaj radi tako 7to iner"ijalna masa rotira oko 7arki 3
Slika 1+iezorezistivni senzor
Univerzitet u Tuzli
kada se izlo&i ubrzanju )o osjetljivoj osi Oarke omo!u#avaju da masa rotira i tako )ravi )ritisak na mjerne trake -ako su mjerne trake kratke ak i mali )omeraji izazivaju velike )romjene ot)ornosti ?zlaz ovakvo! senzora je direktno )ro)or"ijonalan nivou ubrzanja odnosno vibra"ije >"" #iezoe$e'tri9ni a',e$erometri +roizvode se iskljuivo od )iezoelektrinih materijala B kristala kvar"a( barijum titanata U )oslednje vrijeme( )ostoji trend zamjene barijum titanata olovo "irkonijum titanatom * daljem nainu 'abrika"ije i razlozima zamjene barijum titanata( olovom "irkonijum titanatom konsultovati literaturu P,Q( P.Q( P5Q +rin"i) rada ovih ak"elerometara zasniva se na )iezoelektrinim osobinama materijala od kojih se )ravi( odnosno da se mehanikim djelovanjem na ove materijale )roizvodi razlika )oten"ijala Cade na 'rekven"ijama od 2 k@z do 5 k@z %osta su linearni( ot)orni na 7umove i imaju 7irok o)se! tem)erature u kojem rade ;do 120RD< >">" Termi9'i a',e$erometri Ak"elerometri na )rin"i)u za!rejane )loe Termiki ak"elerometri se za razliku od do sada )omenutih ak"elerometara ne zasnivaju samo na mjerenju razde7enosti mase u odnosu na re'erentnu )ozi"iju odnosno objekat ve# i na osobini )rijenosa to)lote U ovom sluaju( masa koja se za!rijeva )ostavljena je blizu hladnjaka( odnosno izmeu dva hladnjaka +rostor izmeu je )o)unjen termo )rovodnim !asom asa se za!rijeva do neke tem)erature T1 i ukoliko nema ubrzanja( us)ostavlja se ravnote&a izmeu mase i hladnjaka
3
Univerzitet u Tuzli
-oliina to)lote koja se )rovodi do hladnjaka kroz !as je u 'unk"iji rastojanja mase od hladnjaka Slika 101 Ak"elometar koji radi na )rin"i)u za!rejane )loe A',e$erometri a za*rejanim *aom *ve ak"elerometre razvio je $S?- -or)orej7n ;$S?D Dor)oration< i oni koriste za!rejani !as kao seizmiku masu ?zrauju se na D*S i)u i mo!u mjeriti ubrzanje odnosno )okret u dvije ose +rin"i) rada ovih senzora zasniva se na strujanju to)lote -ao 7to je )oznato( to)lota se mo&e )renijeti zraenjem( strujanjem i )rovoenjem Strujanje mo&e biti )rirodno ;uzrokovano !ravita"ijom< ili vje7tako ;uz )omo# ureaja koji )roizvode silu/kretanja koje )omjera to)lotu< -onkretno( ovaj senzor mjeri interne )romjene u )reno7enju to)lote unutar zatvoreno! !asa +rema tome( iner"ijalna masa ovo! senzora je u stvari termiki nehomo!en !as *vi senzori su veoma ot)orni na a!resivna okru&enja i mo!u izdr&ati )romjene do 50000 !
Slika 111 B Ak"elerometar na bazi za!rejano! !asa Grija se nalazi u sredini na silikonskom i)u a na jednakim rastojanjima od nje!a( na etiri razliite strane nalaze se tem)eraturni senzori 8a)ravo( lijevi i desni termo)arovi su u stvari jedan termo)ar -ada imamo nulto ubrzanje( izlaz termo)arova je nula Grija se obino 3
Univerzitet u Tuzli
za!rijeva na tem)eraturu koja je daleko iznad tem)erature okru&enja( i ona obino iznosi 200RD +ri nekom ubrzanju( mijenja se tem)eraturna distribu"ija !asa te se za!rijani dio )omjera )rema jednom od senzora +rate#i razliku u izlazima termo)arova lako se utvruje )rava" na kome djeluje ubrzanje i nje!ova )romjena iro'o&i 4irosko) )osle kom)asa ini naje7#e kori7#eni ureaj za navi!a"iju je!ova )rednost o!leda se da u odsustvu mentalno! )olja +omo#u nje!a utvruje )rava"( zatim )ozi"ija a indirektno mjeri ubrzanje 4irosko) se dru!aije naziva i uvarem )rav"a
ehaniki &irosko) sastoji se od masivno! diska koji rotira oko ose obrtanja koja je )ovezana na okvir koji mo&e rotirati oko jedne ili dvije ose vje7anja U zavisnosti od broja osa obratanja &irosko) mo&e biti sa jednim ili dva ste)ena slobode u vje7anju Slika 121Cotorski &irosko)i #rin,i& rada žiro'o&a
3
Univerzitet u Tuzli
-ada toak ;rotor< slobodno rotira on te&i da ouva svoju )ozi"iju u odnosu na osu Ukoliko )lat'orma &irosko)a rotira oko ulazne ose( &irosko) #e razviti momenat oko u)ravne ;izlazne< ose i tako )reokrenuti svoj smjer obrtanja oko izlazne ose
Slika 122 B 4irosko)
Mono$itni i$i,ij)m'i žiro'o& 8bo! svoje s)e"i'ine konstruk"ije konven"ionalni mehaniki &irosko)i nisu mo!li )ostati je'tine kom)onente koje se mo!u umanjiti i ukljuiti u 7iroku u)otrebu -ako satelitski sistem za navi!a"iju nije mo!u#e koristiti izvan zemljine orbite ;odnosno u svemiru<( is)od vode i u sluajevima kada su male dimenzije od najve#e va&nosti( bilo je )otrebno dizajnirati moderne( male i relativno je'tine &irosko)e koji mo!u u#i u masovnu u)otrebu
3
Univerzitet u Tuzli
*vaj "ilj dosti!nut je u)otrebom tehnolo!ije za izradu $S ;mikro elektromehanikihsistema< koja je omo!u#ila izradu minijaturnih &irosko)a u kojima je rotiraju#i disk zamenjen vibriraju#im elementom *vaj nain )roizvodnje u sebi je sublimirao )rednosti izrade i razvoja u elektronskoj industriji a uz to( vrlo lako se dosti&e nivo )roizvodnje Svi vibriraju#i &irosko)i se zasnivaju na 'enomenu -oriolisovo! ubrzanja -oriolis je )okazao da se obini jutnov zakon iner"ije mo&e koristiti i za rotiraju#i okvir( iner"ijalnu silu( koja djeluje desno od smjera u kome se )okre#e tijelo za )ozitivni smijer rota"ije re'erentno! okvira odnosno( koja djeluje lijevo od smjera u kome se )okre#e tijelo za ne!ativni smijer rota"ije re'erentno! okvira( te da ovi stavovi moraju biti ukljueni u jednainu kretanja
Slika 12,-oriolisovo ubrzanje %alje( -oriolisovo ubrzanje se )ojavljuje uvijek kada se tijelo kre#e linearno u re'erentnom okviru koji rotira oko ose koja je u)ravna na )rava" linearno! kretanja Cezultuju#e ubrzanje( koje je direktno )ro)or"ionalno obrtanju javlja se u tre#oj osi( koja je u)ravna na ravan koju obrazuju )reostale dvije ose U umanjenom( &irosko)u izraenom kori7#enjem tehnolo!ije za )roizvodnju $S( rota"ija je zamenjena vibra"ijom a rezultuju#e ubrzanje se mo&e detektovati i )ovezati sa kretanjem Umjesto da masa )rati kru&nu trajektoriju kao kod uobiajeno! obrtanja B rotiraju#i &irosko)N masa se mo&e osloniti i uiniti da se )omjera linearno
3
Univerzitet u Tuzli
Slika 12. B -on"e)t vibriraju#e! &irosko)a O&ti9'i žiro'o& oderni &irosko)i za navoenje i kontrolu baziraju se na takozvanom Sa!nakovom e'ektu Sa!nakov e'ekat o)isuje 7ta se de7ava sa svetlom( koje se u razliitim smjerovima )ro)usti kroz o)tiki )rsten koji mo&e da rotira oko svo! sredi7ta *)tiki )rsten se o)isuje indeksom )relamanja i )olu)renikom Sno) svjetlosti se )ri ulasku u )rstenastu strukturu( )omo#u o!ledala dijeli na dva sno)a koja treba da se kre#u u su)rotnim smjerovima Sno)ovi se zatim vode kroz strukturu i )ri )ovratku( )rolaze kroz taku u kojoj ulaze u svjetlovod Tu se( u)oreivanjem karakteristika ova dva sno)a odreuje inter'eren"ija Djeloku)na struktura( sa izvorom svjetlosti( )rstenastim svjetlovodom( o!ledalima koja dijele svjetlost i detektorom svjetlosti se naziva B Sa!nakov inter'erometar
3
Univerzitet u Tuzli
Sa!nakov e'ekat je )rema tome 'enomen( na koji nailazimo kada zarotiramo o)isanu inter'erometarsku strukturu oko njene ose
Slika 125 B Oematski )rikaz Sa!nakovo! inter'erometra ?deja se sastoji u tome da se u)orede inter'eren"ije svjetlosti u dv sluaja -ada struktura rotira i kada struktura miruje Cazlika inter'eren"ija je )ro)or"ionalna u!aonoj brzini kojom struktura rotira-ako )rsten mo&e da rotira nekom u!aonom brzinom oko svo! sredi7ta( vrijeme koje #e svjetlosti biti )otrebno da obie )rsten bi#e Slika 126+utanje u razliito i zavisi#e od to!a u kom je smjeru okviru o)tiko! &irosko)a )ro)u7teno svjetlo kroz )rovodnik u kojom u!aonom brzinom i u kom smjeru )rotira )rsten ?z ovo!a slijedi da #e )utanje koje svjetlost )relazi biti razliite +rema tome( razlika izmeu )utanja mo&e se o)isati jednainom lE.CM2/n"
;,< P.Q
Gdje je s B brzina svjetlosti( n B indeks )relamanja a u!aona brzina 3
Univerzitet u Tuzli
U )raksi( o)tiki &irosko)i se izrauju sa o)tikim rezonatorom ili sa o)tikim namotajem sa ve#im brojem namota *)tiki rezonator se sastoji od o)tike )etlje koju 'ormira razdelnik lasersko! zraka -ada dolaze#i zrak ima rezonantnu 'rekven"iju o)tiko! )rstena( jaina svetlosti koja izlazi iz nje!a o)ada
Slika 1,1B *)tiki rezonator i o)tiki &irosko) *)tiki &irosko) sa namotajem se sastoji od izvora svetlosti i detektora koji su )rikljueni na o)tiki razdelnik +olarizator svjetlosti se nalazi izmeu detektora i dru!o! razdelnika kako bi se osi!uralo da oba( kontra)ro)a!iraju#a zraka )utuju istom )utanjom u o)tikom namotaju %va zraka se mije7aju i sudaraju u detektoru koji )rati )romjene kosinusno! intenziteta svjetlosti uzrokovane rota"ionoindukovanim 'aznim )romjenama izmeu dva zraka *vaj ti) o)tiko! &irosko)a je relativno je'tin( mali i osjetljiv +omenuti &irosko) se koristi za mjerenje u!lova i zakrivljenja( stabiliza"iju visine i &irokom)asin! Glavna )rednost ovih &irosko)a se o!leda u injeni"i da rade u veoma a!resivnim okru&enjima u kojima bi bilo te7ko ili nemo!u#e koristiti mehanike &irosko)e
3
Univerzitet u Tuzli
>"" #iezoe$e'tri9ni 'ab$o-i +iezoelektrini kablovi slu&e za mjerenje sile ali se indirektno mo!u mjeriti brzina i ubrzanje -ada su )od )ritiskom( )utem )iezoelektrino! e'ekta( stvaraju elektrini si!nal u svom unutra7njem )rovodniku Senzori su dizajnirani tako da budu osjetljivi na sile koje djeluju vertikalno na njih -ada su dobro instalirani( mo!u trajati do )et !odina 7to ih ini i veoma is)lativim +iezoelektrini kabel mo&e se izraditi u dvije varijante +rva vrsta je )iezoelektrini kabel u ijem sredi7tu se nalazi )rovodnik a izmeu njih i izolatora odnosno za7titno! sloja( nalazi se visoko kom)resovani )iezoelektrini )rah +renik ovako izraeno! kabela je oko , mm +iezoelektrini kabel se obino na jednom kraju s)oji sa kablom ot)ornosti
Slika 1,2+iezoelktrini kabel sa )rovodnikom
Slika 1,,+iezoelektrini kabel sa )imerskim 'ilmom
%ru!u vrstu odlikuje kori7tenje )oliviniliden'luorida ;+=%F< B )olimersko! 'ilma kao kom)onente za izola"iju kabla -ako se )oliviniliden'luroid mo&e na)raviti sa )iezoelektrinim osobinama( tako se od nje!a mo&e nainiti )iezoelektrini kabel -ada silom djelujemo na kabel( )iezo'ilm je )od )ritiskom 7to vodi stvaranju elektrinih na)ona razliitih )olariteta na nje!ovoj )ovr7ini +rije u!radnje ovo! kabela )otrebno je izvr7iti kalibra"iju zato 7to izlazni si!nal ne zavisi samo od kabla( ve# i od sredine u kojoj se kabel nalazi *vi kablovi mo!u detektovati udaljene vibra"ije malih am)lituda a o)et mo!u izdr&ati i )ritiske veoma velikih sila B do 100 +a Tem)erature )ri kojima se ovi kablovi mo!u koristiti nalaze se u o)se!u od B.0RD do 125RD 3
Univerzitet u Tuzli
Slika 1,.Ti)ian )rimjer u!radnje )iezoelektrinih kabela
Slika 1,5Ti)ian odziv )iezoelektrinih kabela
8bo! svojih osobina( ovi senzori se u)otrebljavaju u razliite svrhe +iezoelektrini kablove se mo!u koristiti za )ra#enje vibra"ija seiva u motorima mlaznih aviona( za detek"iju insekata u silosima( nad!ledanje !ustine saobra#aja( )ri izradi alarma( brava za automatsko otvaranje itd
Tabe$arni &ri'az enzora Tabela 1 B U)oredna tabela ak"elerometara Ti) ak"elerometra +iezoelektrini
+rednosti
*!ranienja
Ti)ina )rimjena
o!u raditi na +otrbno je vi7e lazni
motoriN 3
Univerzitet u Tuzli
ak"elerometri
+iezorezistivni ak"elerometri
-a)a"itivni ak"elerometri
tem)eraturama )a&nje )ri do 00RDN instala"iji i odr&avanjuN Oirok dinamiki o)se!N -a)a"itivno o)tere#enje Oirok du!akih kablova 'rekventni rezultuje o)se!N )ove#anjem )ra!a =eoma su 7umaN ot)orni na +otrebno je da udare/7akoveN koristi )osebne kablove koji Iednostavan )rizvode mali dizajn 7um
=isoke tem)eratureN +arne "ijeviN Turbo a7ineN +arne turbineN ?zduvni"iN -oni"e
Iednsmjerni odzivN
anja za7tita od Testiranje udara/7okovaN sudaraN
ali su
anji dinamiki Testiranje o)se! letova
Iednosmjeni odzivN
Frekventni o)se!N Testiranje Srednja rezolu"ija mostovaN =azdu7ni jastu"iN >olja rezolu"ija Alarmi ne!o kod )iezorezistivnih ak"elerometara
Tabela 2 B Ti)ine karakteristike ak"elerometara P,Q Ti&
Frekventni *setljivost o)se!
jerni o)se!
%inam =eliina/te&i iki na 3
Univerzitet u Tuzli
o)se! +iezoelektrini 05 B 01 )D/! B 000001 ! 110 01. B 200 50000 @z 100 )D/! B 10000 ! d> !rama ak"elerometri +iezorezistivni ak"elerometri
0 B 10000 0001B @z 10 m=/!
0001B 100000 !
-a)a"itivni ak"elerometri
0 B 1000 10 m=/! B 000005 B 0 @z 1 =/! 1000 ! d>
30
d>
1B100 !rama 10B100 !rama
#rimjer 'on'retne &rimjene &iezoe$e'tri9no* 'abe$a 8De/ini,ija &rob$ema %vadeseti vijek bio je vijek automobila i velikih !u&vi i zastoja na saobra#ajni"ama Saobra#ajni in&enjeri uradili su mno!o na )rojektovanju saobra#ajni"a koje #e biti u stanju da o)slu&e vozila razliitih kate!orija eutim( broj vozila se iz !odine u !odinu uve#ava te klasine metode odreivanja !ustine saobra#aja )ostaju sku)e i krajnje ne)raktine obzirom da danas vi7e nije od interesa samo 'rekven"ija saobra#aja ve# i nje!ov ti) =rlo je bitno odrediti da li nekom saobra#ajni"om )rolaze )utnika vozila( ili te7ki kamioni ili autobusi -ako je kori7tenje elektronike najbolja o)"ija za brzo i jednostavno rje7avanje )roblema ( )ostaje )rirodno da )omenutom )roblemu )ristu)e in&enjeri elektrotehnike i )onude rje7enje )roblema #rijed$o* rjeenja Sa rastu#om zabrinuto7#u u vezi sa )ove#anjem 'rekven"ije saobra#aja i )reranim uru7avanjem )utne in'rastrukture uzrokovanim )rije sve!a tranzitiranjem kamiona( in&injeri saobra#aja su )oeli da tra!aju za rje7enjima klasi'ika"ije saobra#aja -onkretno( bilo je )otrebno utvrditi
3
Univerzitet u Tuzli
!ustinu saobra#aja i masu vozila koja saobra#aju kako bi se saobra#aj bolje or!anizovao i eventualno )reusmjeravao U )oetku su bile kori7#ene mjerne trake koje su se u!raivale u )loe( koje su se )otom )ostavljale na )ut -ako su one bile jako sku)e( esto se donosila odluka da se ku)uju je'tine a samim tim i manje kvalitetne mjerne trake Sto!a( su in&enjeri saobra#aja tra&ili transdjuser koji mo&e dati in'orma"ije o 'rekven"iji saobra#aja i osovinskom o)tere#enju vozila koje )relaze )reko njih a koji #e u isto vrijeme biti je'tin( ne#e zahtjevati esto odr&avanje i koji #e se mo#i u!raditi is)od )ovr7ine as'alta *bini )iezoelektrini kablovi se nisu )okazali kao dobro rje7enje obzirom na slabu uni'ormnost koju su )ru&ili( )robleme )ri u!raivanju i odziv koji su stvarali na horizontalne sile koje nisu od va&nosti Ukratko( za rje7enje ovo! )roblema )otreban je 'leksibilan senzor koji #e stvarati odziv samo na vertikalne sile( biti jednako )olarisan i iznad sve!a testiran na uni'ormnost i )osle stavljanja u za7titni oklo) -ao rje7enje za ovakve zahtjeve name#e se u)otreba )iezoelektrinih kablova koji se iz!rauju sa )oliviniliden'luoridom ;+=%F< B )olimerskim 'ilmom kao jedne od kom)onenti za izola"iju kabla +oliviniliden'luorid )okazuje veoma velike )iezoaktivne osobine kada je )olarisan i znatno je bolji od )iezokeramikih materijala Tabela , B +oreenje na)onsko! koe'i"ijenta osjetljivosti P,Q +iezo
keramika
;=a +iezo
kabel
sa +iezoelektrini kabel sa 3
Univerzitet u Tuzli
Ti*<
keramikom 5 10M, =m/
10 10 M, =m/
)oliviniliden'luoridom 216 10M, =m/n
Sumirano( )iezoelektrini ;+=%F< kablovi mo!u se lako u!raditi u )ostoje#u )utnu in'rastrukturu( imaju dobru toleran"iju )rema )romjenama tem)erature koje mo!u biti veoma ekstremne ukoliko se radi o )ovr7inama koje su izlo&ene estim i vrlo a!resivnim )romjenama vremenskih )rilika( kao 7to je sluaj sa )utevima +iezoelektrini kablovi sa )oliviniliden'luoridom daju si!nal koji je uni'orman i mo&e se lako obraditi uz )omo# jednostavne elektronike %alje( ovi kablovi su najosjetljiviji )iezoelektrini kablovi koji is)unjavaju navedene uslove )roblema i koji su relativno je'tini za u!radnju i u)otrebu Sa!ledav7i sve izlo&ene zahtjeve( o)redeljivanje za )iezoelektrine ;+=%F< kablove name#e se kao lo!ino i najis)lativije U korist ovo! zakljuka ide i injeni"a da je do sada( 7irom SA%( us)je7no instalirano ve# 600 ovakvih senzora jihovi rezultati )okazuju da #e kori7tenje ovih senzora biti is)lativo i da #e u )ot)unosti iza#i u susret svim zahtjevima saobra#ajnih in&enjera #rijed$o* enzora 'o*a treba 'orititi -ao )rijedlo! konkretno! senzora koji mo&e da se koristi za svrhu odreivanja !ustine( 'rekven"ije i ti)a saobra#aja koristi )iezoelektrini kabel kom)anije -inar ;-Hnar< B obzirom da nije bilo mo!u#e )rona#i dru!e )roizvoae %izajniran je kao i svaki dru!i koaksijalni kabel 8bo! svo! s)e"i'ino! koaksijalno! dizajna kabel je za7ti#en od elektroma!netskih smetnji =eoma je robustan i mo&e izdr&ati velika o)tere#enja ;n)r kamione< a idealni su za nad!ledanje velikih )ovr7ina ude se dvije vrste )iezo kablova( ko)olimerni i s)iralni U ko)olimernoj izvedbi( s)e"ijalna verzija )iezo materijala u)resovana je direktno u
3
Univerzitet u Tuzli
kabel a )otom )olarizovana U s)iralnoj izvedbi( )oliviniliden'luoridni 'ilm je obmotan oko unutra7nje! )rovodnika B obino bakarne &i"e -o)olimer je mno!o sku)lji kao sirovina i dostu)an je samo u o!ranienim koliinama ?)ak( )o!re7no je zakljuiti da #e ko)olimer u budu#nosti biti te&i za nabavku zbo! trenutno! o!ranienja u koliinama obzirom da se tehnolo!ija izrade kilometara ubrzano razvija
Slika 1.1-o)olimerski kabel
Slika 1.2-abel sa s)iralno uvijenim )iezo 'ilmom
Oobine:
-
)asivni i du!aak senzorN 'leksibilan( robustan i vodoot)oranN tem)eraturana stabilnost do 35RDN samoza7ti#ena koak"ijalna konstruk"ijaN visokona)onski odzivN mala im)edansa )o jedini"i du&ineN mo!u#e ih je )o)ravljati na li"u mjestaN )ojednostavljene interkonek"ije izmeu kablova
Tabela . B a)onski koe'i"ijenti osjetljivosti i )iezo koe'i"ijenti naelektrisanja P,Q Ti)ine osobine
Iedini"e
S)iralni
-o)olimerski 3
Univerzitet u Tuzli
+renik
mm
26
22
-a)a"itansa na 1 k@z
)F/m
50
655
Te&ina
-!/km
1.5
155
@idrostatiki )iezo koe'i"ijent
)D/
20
15
@idrostatiki )iezo koe'i"ijent
=m/
Slika 151*dnos osjetljivosti )rema )ritisku
150 10M,
Slika 152*dnos am)litude )rema )ritisku
U dodatku je )rilo&eno ti)ino kolo za )iezoelektrini kabel du&ine 100 metara( koji treba da bilje&i )ritiske uzrokovane velikim silama ;koje mo!u )rouzrokovati kamioni< koje odlikuju male 'rekven"ije ;od 01 do 10 @z< a'$j)9a' Uzimaju#i u obzir sve injeni"e do sada navedene( kao i statistike )odatke koji su izlo&eni u radu( mo&e se sa si!urno7#u tvrditi da #e )iezoelektrini kablovi( kao vrste senzora za mjerenje brzine i ubrzanja( biti sve masovnije kori7#eni 3
Univerzitet u Tuzli
-orist koju je mo!u#e dobiti kori7#enjem ovih senzora o!leda se najvi7e u injeni"i da #e saobra#aj biti inteli!entnije ustrojen i da bi smo saobra#ajem mo!li da u)ravljamo i du!orono !a )laniramo %alje s)rezanjem ovakvo! sistema sa sistemom za svjetlosno si!naliziranje na saobra#ajni"ama mo!ao bi biti jedan od naina da se saobra#ajne !u&ve u velikim !radovima umanje ili ak u )ot)unosti izbje!nu S)ektar )roblema koji #e ovi senzori biti u mo!u#nosti da rije7e mo#i#emo da uvidimo tek nakon 7to se )one sa njihovom masovnom u)otrebom
9?T$CATUCA:
htt)://"2et'unsaba htt)://hrViki)ediaor!/Viki/Senzorika htt)://VVVin'otehrsba 3
