Univerzitet u Bаnjoj Luci
Mašinski fakultet
SEMINARSKI RAD IZ AKTUATORA I SENZORA
Akcelerometar i žiroskop
Milovanović Predrag
Banja Luka, 2014.
Završni rad
Aktuatori i senzori
SADRŽAJ 1.
UVOD ............................................... ...................................................... ....................................................................................... ................................. 3
2.
AKCELEROMETAR ................................................... .................................................... ........................................................... ....... 4
3.
4.
2.1.
Uopšteno........................................................................................................................... 4
2.2.
Podjela akcelerometara ................................................. ................................................... 4
2.2.1.
Piezoelektrični........................................................................................................... 5
2.2.2.
Piezootpornički ......................................................................................................... 9
2.2.3.
Kapacitivni ..................................................... ......................................................................................................... ......................................................... ..... 10
2.2.4.
Servo akcelerometri s regulisanim pomakom .................................................... ......................................................... ..... 12
2.2.5.
Optički..................................................................................................................... 13
ŽIROSKOP ........................................................................................................................... 15 3.1.
Uopšteno......................................................................................................................... 15
3.2.
Mehanički žiroskopi ....................................................... ....................................................................................................... ................................................ 16
ZAKLJUČAK ....................................................................................................................... ....................................................................................................................... 19
LITERATURA ............................................................................................................................. 20
2
Završni rad
Aktuatori i senzori
1. UVOD
Tema ovog seminarskog rada je akcelerometri i žiroskopi, te njihov opis načina rada i podjela.
Akcelerometri prvenstveno služe za mjerenje linearnih akceleracija. Ta vrijednost se kasnije, računskim putem može transformisati u željene vrijednosti, poput prijeđ enog puta,
položaja u odnosu na zemljino gravitacijsko polje (ugao nagiba). Žiroskopi služe za mjerenje ugaone brzine tijela koje rotira. Njihovim korišćenjem se dobiva informacija o ugaonoj brzini, čijom integracijom se dobiva ugao zaokreta mjerene
platforme. Za određivanje trenutnog nagiba koriste se dvije vrste senzora: dvo-osni akcelerometar i jedno-osni žiroskop.
3
Završni rad
Aktuatori i senzori
2. AKCELEROMETAR
2.1.
Uopšteno
Akcelerometri su senzori za mjerenje akceleracije, odnosno sile inercije. Mogu mjeriti
akceleraciju u jednom ili više smjerova, pri čemu su ti smjerovi okomiti jedan na drugi. Postoje različite vrste akcelerometra, pa prema tome rade i na različitim principima. Akcelerometri imaju široku primjenu. Koriste se za mjerenje i analizu parametra vibracija i udara, kod mašina u hidroenergetskim postrojenjima, elektromotornim pogonima, u automobilskoj industriji, kod seizmičkih mjerenja itd..
2.2.
Podjela akcelerometara
Prema principu rada akcelerometri mogu biti:
1. piezoelektrični, 2. piezootpornički, 3. kapacitivni, 4. servo,
5. optički. S obzirom na mjerni opseg razlikujemo akcelerometre sa:
1. užim frekvencijskim rasponom (za niske akceleracije) 2. širim frekvencijskim rasponom (za visoke akceleracije) Dalje u poglavlju slijedi opis akcelerometara prema podijeli, zavisno o principu rada.
4
Završni rad
Aktuatori i senzori
2.2.1.
Piezoelektrični
Piezoelektrični akcelerometar koristi piezoelektrični efekt od određenih materijala kako bi mjerio dinamičke promjene u mehaničkim veličinama (na primjer akceleracija, vibracija i mehanički udar). Kao kod svih mjernih pretvarača, ovaj tip akcelerometra pretvara jedan oblik energije u drugi stvarajući električni signal kao posljedicu veličine, svojstva i stanja mjerene veličine. Koristeći uopštenu metodu na kojoj se temelje svi akcelerometri, dakle djelovanjem akceleracije na seizmičku masu koja je ograničena s oprugom ili konzolom, dobije se električni signal na osnovu sile. Prije nego što se akceleracija pretvori u električnu veličinu, prvo se mora pretvoriti u silu ili pomak. Ova transformacija se ostvaruje pomoću maseno-opružnog sistema prikazanog na slici 2.1. Kad sila djeluje na akcelerometar, seizmička masa puni piezoelektrični element prema drugom Newtonovom zakonu kretanja (F = ma) čime se mijenja napon
piezoelektričnog elementa.
Slika 2.1: Princip rada piezoelektričnog akcelerometra
Piezoelektrični materijali koji se koriste za akcelerometre su quartz kristali i keramički elementi. Quartz kristali mada imaju veći mjerni raspon, glavni nedostatak u odnosu na
piezoelektrične keramičke elemente je manja osjetljivost i viša cijena proizvodnje. Nedostatak keramičkih materijala je da njihova osjetljivost opada tokom vremena, čineći životni vijek takve naprave manji od materijala napravljenih od quartz kristala.
5
Završni rad
Aktuatori i senzori
Primjenjuju se u mnogim industrijama, laboratorijima i uređajima za mjerenje dinamičkih
promjena u mehaničkim veličinama udara i vibracija. Postoje različite mehaničke konfiguraci je kako bi se izvršile transformacije kod
piezoelektričnog akcelerometra. One zavise o načinu na koji inercijska sila ubrzane mase djeluje na piezoelektrični element. Kod štampanih pločica (engl. Printed Circuit Board) postoje dvije konfiguracije akcelerometra koje se koriste: smična i savojna. Treća je pritisna, koja se manje
koristi kod PCB, ali može se koristiti kao alternativa.
Smična struktura (engl. Shear design) Ostvaruje se smična veza između kristala postavljenih oko središta baze i seizmičke mase
(slika 2.2). Pomoću prstena ili vijka ostvaruje se predo pterećenje koje je potrebno za dobivanje linearno krute strukture. Uslijed akceleracije, masa uzrokuje smična naprezanja koja će djelovati na osjetne kristale. Izoliranjem osjetnih kristala od baze i kućišta, smični akcelerometri imaju nisku temperaturnu osjetljivost i nisu osjetljivi na naprezanje baze. Ovaj način strukture je malih
dimenzija, čime se minimiziraju ef ekti opterećenja mase na testnoj strukturi. S kombinacijom ovih idealnih svojstava, ovaj tip strukture akcelerometra pruža optimalnu izvedbu.
Slika 2.2: Smična struktura
6
Završni rad
Aktuatori i senzori Savojna struktura (engl. Bending design)
Savojna konfiguracija u obliku grede koristi osjetne kristale, koji su potpomognuti da bi se postigla deformacija na kristalu pri nekom ubrzanju. Kristal može biti povezan s nosačem grede
koji povećava iznos deformacije pri ubrzanju. Ova konfiguracija ima najbolji omjer signala i greške, ali je temperaturno nestabilna i nije robusan.
Slika 2.3: Savojna struktura Pritisna struktura (engl. Compression design)
Pritisna konfiguracija piezoelektričnih akcelerometra ima jednostavnu strukturu i visoku krutost. Postoje tri vrste pritisni struktura: uspravna, izokrenuta i izolirana. Uspravna struktura
sadrži kristal između seizmičke mase i krute baze. Vijkom se osigurava spoj baze i osjetnog elementa. Kad se senzor ubrzava, seizmička masa povećava ili smanjuje iznos sile na kristalu, a time se pr oporcionalno mijenja i električni izlazni signal. Što je veća masa, veće je naprezanje, a time i izlaz. Ova struktura je robusna, pa ima visoku otpornost na udare. Međutim, zbog bliskog kontakta kristala i baze, vrlo je osjetljiva na naprezanje baze i temperaturno je osjetljiva.
7
Završni rad
Aktuatori i senzori
Slika 2.4: Uspravna struktura Kod izokrenute pritisne strukture osjetni elementi su izolirani od baze, čime se smanjuju naprezanja na savijanje baze i minimiziraju uticaji temperaturne nestabilnosti. Mnogi akcelerometri koriste ovu vrstu strukture.
Slika 2.5: Izokrenuta struktura Izolirana pritisna struktura smanjuje ogromne izlaze zbog naprezanja baze i toplotnih
prelazaka. To se postiže fizičkim izoliranjem osjetnih kristala od baze. Seizmičke mase koje djeluju kao toplotna izolacijska barijera. Ova mehanička poboljšanja omogućuju stabilne performanse na niskim frekvencijama, jer uticaj toplote može rezultirati "klizanjem" signala kod drugih pritisnih struktura. 8
Završni rad
Aktuatori i senzori
Slika 2.6: Izolirana struktura
2.2.2.
Piezootpornički
Piezootpornički akcelerometar koristi piezo-otpornički supstrat, a sila koja djeluje na masu mijenja
otpor
kojeg
registruje
Wheatstoneov
most.
U uporedbi s piezoelektričnim
akcelerometrima, ova vrsta može mjeriti ubrzanje do 0 Hz. Izrazito je malih dimenzija, i ima malu nelinearnost. Jeftini su i imaju dosta veliku š irinu frekvencijskog raspona. Njima se mogu mjeriti vrlo visoke frekvencije (> 30 KHz). Osim toga za njihov rad potrebna je samo jednostavna obrad a podataka. Nedostaci su velika osjetljivost na temperaturu, manji dinamički opseg, veća osjetljivost na udare i potreba za preciznim izvorom napajanja.
Slika 2.7: Shema piezootporničkog akcelerometra 9
Završni rad
Aktuatori i senzori
2.2.3.
Kapacitivni
Masa koja je na dva kraja spojena sa mem branama ili sa oprugama, pokreće se zavisno o akceleraciji. Jedna elektroda kondenzatora spojena je na tu masu dok je druga fiksirana. Mjerenje pomaka seizmičke mase kapacitivno samo po sebi ima prednosti pred
piezootporničkim principom. Ono daje veliki izlazni signal, dobar stacionarni odziv i bolju osjetljivost zbog niskog šuma. Glavni nedostatak je osjetljivost kapacitivnih senzora na elektromagnetna polja iz njihove okoline pa ih zbog toga treba odgovarajuće zaštiti.
Također neizbježan je pad kvaliteta signala zbog parazitskih kapaciteta na ulazu u diferencijalno pojačalo. Obično se detektuje diferencijalna promjena u kapacitetu. Kako se
seizmička masa odmiče od elektrode, smanjuje se kapacitet, kad se primiče elektrodi, kapacitet se povećava. Ako se zanemare rubni efekti polja, promjena kapaciteta je dana jednačinom: (2.1)
a proporcionalna je otklonu kojeg uzrokuje ulazna akceleracija samo ako je zadovoljena pretpostavka malog otklona. Za precizne akcelerometre ova pretpostavka možda nije opravdana, pa se prema tome da bi se otklon seizmičke mase održao malim može koristiti upravljačka petlja. Rezultantni pomak mase se mjeri pomoću diferencijalnog kondenzatora koje je konstruisan
na način da je jedan skup elektroda nepomičan a drugi se može slobodno pomicati. Pri tome su pok retne elektrode pričvršćene na pomičnu masu. Na nepomične elektrode se dovode pravougaoni signali s faznim pomakom od 1800.
Iznos pomaka pomične mase pod djelovanjem akceleracije uzrokuje nestabilnost diferencijalnog kondenzatora što za posljedicu ima pravougaoni izlazni signal čija amplituda je proporcionalna izmjerenoj akceleraciji.
10
Završni rad
Aktuatori i senzori
Slika 2.8: Kapacitivni akcelerometar Mjerenjem rezultantnog faznog pomaka može se odrediti smjer akceleracije. Opisani postupak rada se primjenjuje za mjerenje akceleracije samo u jednom smjeru duž osjetljive ose. Raniji tipovi kapacitivnih senzora su obično bili izrađivani u velik im količinama i radili su
se spajanjem nekoliko pločica koristeći tehnike združivan ja. Većina naprava je imala osjetljivosti okomito na ravninu pločice, sa krajnjim pločama na gornjoj i donjoj strani, koji su osim pružanja pr igušenja služili i kao elektr ode za određivanje kapaciteta. Glavne prednosti kapacitivnih akcelerometra su visoka rezolucija i osjetljivost, jednostavni
mehanički detektor, velika mogućnost minijaturizacije, tehnološka robusnost te dosta visoka širina pojasnog raspona. Nedostaci su niska linearnost i velika osjetljivost na temperaturu, zbog čega je potrebna znatna temperaturna kompenzacija.
11
Završni rad
Aktuatori i senzori
2.2.4.
Servo akcelerometri s regulisanim pomakom
Karakteristike senzora zavise o tome radi li on u otvorenoj p etlji ili u zatvorenoj petlji. Kod servo akcelerometra inercijalna sila koja djeluje na seizmičku masu i uzrokuje njen pomak je kompenzovana jednakom suprotnom silom koju daje elektromehanički sistem. Struja koja pokreće sistem kompenzacije je proporcionalna mijerenoj sili.
Tačni je inercijska akcija na seizmičku masu u početku uzrokuje jako mali pomak koji se preko motora kompenzuje čim poremećaj počne. Pojačanje sa povratne veze je takvo da je pomak seizmičke mase jako mal, čime se smanjuje greška uslijed varijacije položaja kao na primjer histereze. Postoji mnogo varijanti ovakvih senzora. Detektor položaja može biti optički, kapacitivni ili induktivni senzor. Na isti način aktuatorski sistem mož e biti ili elektrostatič ki ili sa permanentnim magnetom. R egulacija može biti analogna ili digitalna.
Glavna prednost je odlična preciznost koja je uopšteno mnogo puta bolja nego kod senzora k oji nemaju servo regulaciju. Širina frekvencijskog raspona im je od DC do nekoliko stotina Hz. Prag detekcije im je manji od 10-5 ms-2. Nedostatak im je osjetljivost na udare, visoka cijena, potreba za znatnom obradom
podataka i relativno uska širina frekvencijskog raspona. Kod rada u otvorenoj petlji performanse su zadovol javajuće za uopštenu namjene i za automobilsku primjenu, dok u slučaju korišćenja rada u zatvorenoj petlji rezolucija dostiž e vrijednosti ispod jednog mikro g-a što ih čini prikladnima za inercijalnu navigaciju i navođenje.
12
Završni rad
Aktuatori i senzori
Slika 2.9: Akcelerometar sa regulacijom momenta
Optički
2.2.5.
Za razvoj optičkih senzora potreban je spoj raznih grana znanja i tehnologija kao što su mikroelektronika, radioelektronika, optička vlakna itd. Pomak seizmičke mase uslijed djelovanja inercijske sile uzrokuje razne koeficijente odašiljanja svjetlosti proizvedene laserskom diodom i
prenošene optičkim vlaknom. Veličina propuštenog svijetla mjeri se fotodetektorom i pretvara u napon ili struju. Cijeli optič ki koncept koristeći optička vlakna za prijenos svijetla električki je pasivan, dok je izlaz senzora frekventno nezavisan prijenosnik. Korišćenjem metalnih ogledala umjesto mikrorezonatora materijal nudi nove mogućnosti u očitavanju vanjskih sila kroz promjene magnetskog polja. Materijali mikrorezonatora mogu biti: legura bora i silicija, silicijum dioksid, silicijum nitrid, metalna ogledala. Trenutno najviše korišteni mikrorezonator je silicijski mikro most spojen na obe strane. Silicijski mikrorezonatri mogu biti spojeni direktno na kraj optičkog vlakna
dovodeći jeftin ekscentrični senzor sposoban za precizna mjerenja temeljena na frekvencijskom očitanju. Značajke
i
ograničenja
ovih
akcelerometra:
Premda
su
električno
mikrorezonirajući senzori mogu raditi u područjima snažnih elektromagnetskih smetnji. 13
pasivni
Završni rad
Aktuatori i senzori
Korišćenje frekvencije k od izlaznog parametra ima dvije glavne prednosti: mogu se prenositi na velike udaljenosti bez greške i drugo mogu se lako digitalizirati koristeći frekvencijski
brojač.
Slika 2.10: Optički akcelerometar Prednosti optičkih senzora su mala težina, neosjetljivost na udare, mala mehanička histereza, električna pasivnost i frekvencijsko kodiranje izlaznog signala. Nedostaci su kompleksna i skupa povezivanja podataka za obradu, velika temperaturna
osjetljivost i prosječ ne performanse.
14
Završni rad
Aktuatori i senzori
3.
ŽIROSKOP 3.1.
Uopšteno
Uopšteno žiroskop je uređaj koji služi za mjerenje ugaone brzine tijela vezanog za njega. Tradicionalno mehanički žiroskopi se zasnivaju na inerciji rotacije krutog tijela, no razvijeni su i vibracijski i optički žiroskopi. Ti ž irosk opi se zasnivaju na različitim fizikalnim principima i značajno se razlikuju po veličini, masi, tačnosti i cijeni. Svaki tip ima svoje prednosti i nedostatke i svaki se koristi u različite svrhe.
Žiroskop služi kao važan orijentacijski senzor posebno tamo gdje ne postoji geomagnetsko polje (u svemiru) ili je jako izobličeno zbog uticaja lokalnih magnetskih polja. Premda se koristi za navođenje projektila, kontinentalnih balističkih raketa, brodova, aviona, on je tokom istorije bio važna strateška tehnologija. Upravo to je doprinijelo njegovom brzom razvoju i današnjim visokim performansama.
Slika 3.1: Primjena žiroskopa za navođenje projektila
15
Završni rad
Aktuatori i senzori
Žiroskopi se najčešće primjenjuju u automatskim pilotima na plovilima i avionima, u sistemima za navođenje autonomnih vozila, letjelica, projektila, u sistemima upravljanja svemirskim letjelicama, te u mobilnoj robotici.
Glavni parametri koji određuju odabir tipa žiroskopa su trajanje misije, potrebna preciznost, te dinamika mijerenog sistema (o / s). Prema tome glavne mjere performansi žiroskopa su osjetljivost, rezolucija i stabilnost. O snovna podjela žiroskopa je na mehaničke, optičke i vibracijske. U daljem tekstu objasniti će se principi rada prve grupe.
3.2.
Mehanički žiroskopi
Mehanički žiroskopi rade na principu očuvanja ugaonog momenta tijela koji kaže da je ugaona količina kretanja bilo koje čestice sistema s obzirom na neku fiksnu tačku u prostoru konstantna, ako na sistem ne djeluju vanjske sile.
Slika 3.2: Rotirajući disk postavljen u troosni kardanski sistem
16
Završni rad
Aktuatori i senzori
Ako se na rotirajući disk primjeni vanjski moment njegova orijentacija će se promijeni mnogo manje nego na mirujući disk. Kad se takav disk spoji na posebni nosač (kućište žiroskopa) njegova orijentacija ostaje gotovo ne promijenjena neovisno o kretanju platforme na koju je postavljen. Osnovna jednačina koja određuje ponašanje žiroskopa je: (3.1)
Gdje je vektor τ moment i L ugaona količina kretanja, I je moment inercija, a ω je njegova ugaona brzina, i vektor α je ugaona akceleracija. Iz toga sli jedi da ako se moment τ primjeni okomito na osu rotacije, i prema tome okomito na L, rezultat je rotacija oko ose okomite na τ i L. To kretanje se naziva precesija. Ugaona brzina precesije Ω p je:
Τ = Ωp × L.
(3.2)
Mehanički žiroskop se sastoji od diska velike brzine rotacije koji je postavljen u kardanski ovjes sa tri stepena slobode kretanja. Osa rotacije rotirajućeg žiroskopa u bilo kojem položaju prilikom kretanja uvijek će nastojati biti paralelna sama sa sobom (održati svoj smjer), uz mala odstupanja koja uzrokuje trenje u ležajevima ovjesa.
Slika 3.3: Rotacijski žiroskop korišten kao autopilot na avionima (1950.) 17
Završni rad
Aktuatori i senzori
Mehanički žiroskopi su konstruisani kao prstenasti elektromotori (ili vazdušne turbine kod aviona) kod kojih je masa rotora raspoređena po obodu prstena. Brzine rotacije preciznih žiroskopa
dosežu i do 20 000 okretaja po minuti. Zbog visokih zahtjeva na tačnost izvedbe mehaničkih žiroskopa, posebno teflonskih (ili vazdušnih) ležajeva motora i potrebe za korišćenjem visoko kvalitetnih materijala, oni su vrlo skupi.
Nedostatak mehaničkih senzora je što zbog masa koje se rotiraju na velikim brzinama oni koriste puno struje. Također oni su zbog ležajeva skloni trošenju. Osim toga žiroskop svojim djelovanjem može uticati na sam sistem u kojem je primijenjen.
18
Završni rad
Aktuatori i senzori
4.
ZAKLJUČAK U sklopu ovog seminarskog rada objašnjeni su samo najosnovniji ili bolje rečeno najkorišćeniji
senzori ubrzanja i orjentacije (akcelerometri i žiroskop). Ostali senzori orjentacije koji su izostavljeni kao na primjer optičke, vibracijske i sl. gdje otvaraju sasvim nova područja i smjerove u kojima se razvija industrija senzora.
19
Završni rad
Aktuatori i senzori
LITERATURA
[1] http://www.analog.com 28.01.2014. [2] http://www.pcb.com. 28.01.2014. [3] P.Ripka and A.Tipek. Modern Sensors Handbook. ISTE, 2007.
[4] S.Beeby, G.Ensell, M.Kraft, and N.White. MEMS Mechanical Sensors. Artech Hou se, 2004.
20
