Seminarski senzori

8/13/2019 Seminarski senzori

1/20

Univerzitet u Bnjoj LuciMainski fakultet

SEMINARSKI RAD IZ AKTUATORA I SENZORA

Akcelerometar i iroskop

Milovanovi Predrag

Banja Luka, 2014.


2/20

Aktuatori i senzori Zavrni rad

2

SADRAJ1. UVOD ...................................................................................................................................... 3

2. AKCELEROMETAR .............................................................................................................. 4

2.1. Uopteno........................................................................................................................... 4

2.2. Podjela akcelerometara .................................................................................................... 4

2.2.1. Piezoelektrini........................................................................................................... 5

2.2.2. Piezootporniki......................................................................................................... 9

2.2.3. Kapacitivni .............................................................................................................. 10

2.2.4. Servo akcelerometri s regulisanim pomakom ......................................................... 12

2.2.5. Optiki..................................................................................................................... 13

3. IROSKOP........................................................................................................................... 15

3.1. Uopteno......................................................................................................................... 15

3.2. Mehaniki iroskopi....................................................................................................... 16

4. ZAKLJUAK....................................................................................................................... 19

LITERATURA ............................................................................................................................. 20


3/20


3

1.UVODTema ovog seminarskog rada je akcelerometri i iroskopi, te njihovopis naina rada i

podjela.

Akcelerometri prvenstveno slue za mjerenje linearnih akceleracija. Ta vrijednost se

kasnije, raunskim putem moe transformisati u eljene vrijednosti, poput prijeenog puta,

poloaja u odnosu na zemljino gravitacijsko polje (ugao nagiba).

iroskopi slue za mjerenje ugaone brzine tijela koje rotira. Njihovim korienjem se

dobiva informacija o ugaonoj brzini, ijom integracijom se dobiva ugao zaokreta mjerene

platforme. Za odreivanje trenutnog nagiba koriste se dvije vrste senzora: dvo-osni akcelerometar

i jedno-osni iroskop.


4/20


4

2.AKCELEROMETAR

2.1. Uopteno

Akcelerometri su senzori za mjerenje akceleracije, odnosno sile inercije. Mogu mjeriti

akceleraciju u jednom ili vie smjerova, pri emu su ti smjerovi okomiti jedan na drugi. Postoje

razliite vrste akcelerometra, pa prema tome rade i na razliitim principima.

Akcelerometri imaju iroku primjenu. Koriste se za mjerenje i analizu parametra vibracija

i udara, kod maina u hidroenergetskim postrojenjima, elektromotornim pogonima, u

automobilskoj industriji, kod seizmikihmjerenja itd..

2.2. Podjela akcelerometara

Prema principu rada akcelerometri mogu biti:

1. piezoelektrini,

2. piezootporniki,

3. kapacitivni,

4. servo,

5. optiki.

S obzirom na mjerni opseg razlikujemo akcelerometre sa:

1. uim frekvencijskim rasponom (za niske akceleracije)

2. irim frekvencijskim rasponom (za visoke akceleracije)

Dalje u poglavlju slijedi opis akcelerometara prema podijeli, zavisno o principu rada.


5/20


5

2.2.1. Piezoelektrini

Piezoelektrini akcelerometar koristi piezoelektrini efekt od odreenih materijala kako bi

mjerio dinamike promjene u mehanikim veliinama (na primjer akceleracija, vibracija i

mehaniki udar). Kao kod svih mjernih pretvaraa, ovaj tip akcelerometra pretvara jedan oblik

energije u drugi stvarajui elektrini signal kao posljedicu veliine, svojstva i stanja mjerene

veliine. Koristei uoptenu metodu na kojoj se temelje svi akcelerometri, dakle djelovanjem

akceleracije na seizmikumasu koja je ograniena s oprugom ili konzolom, dobije se elektrini

signal na osnovu sile. Prije nego to se akceleracija pretvori u elektrinu veliinu,prvo se mora

pretvoriti u silu ili pomak. Ova transformacija se ostvaruje pomou maseno-oprunog sistema

prikazanog na slici 2.1. Kad sila djeluje na akcelerometar, seizmikamasa puni piezoelektrinielement prema drugom Newtonovom zakonu kretanja (F = ma) ime se mijenja napon

piezoelektrinog elementa.

Slika 2.1: Princip rada piezoelektrinog akcelerometra

Piezoelektrini materijali koji se koriste za akcelerometre su quartz kristali i keramikielementi. Quartz kristali mada imaju vei mjerni raspon, glavni nedostatak u odnosu na

piezoelektrine keramike elemente je manja osjetljivost i via cijena proizvodnje. Nedostatak

keramikih materijala je da njihova osjetljivost opada tokom vremena, inei ivotni vijek takve

naprave manji od materijala napravljenih od quartz kristala.


6/20


7/20


7

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 moe biti povezan s nosaem grede

koji poveava iznos deformacije pri ubrzanju. Ova konfiguracija ima najbolji omjer signala igreke, ali je temperaturno nestabilna i nije robusan.

Slika 2.3: Savojna struktura

Pritisna struktura (engl. Compression design)

Pritisna konfiguracija piezoelektrinih akcelerometra ima jednostavnu strukturu i visoku

krutost. Postoje tri vrste pritisni struktura: uspravna, izokrenuta i izolirana. Uspravna struktura

sadri kristal izmeu seizmike mase i krute baze. Vijkom se osigurava spoj baze i osjetnog

elementa. Kad se senzor ubrzava, seizmika masa poveava ili smanjuje iznos sile na kristalu, a

time se proporcionalno mijenja i elektrini izlazni signal. to je vea masa, vee je naprezanje, a

time i izlaz. Ova struktura je robusna, pa ima visoku otpornost na udare. Meutim, zbog bliskog

kontakta kristala i baze, vrlo je osjetljiva na naprezanje baze i temperaturno je osjetljiva.


8/20


8

Slika 2.4: Uspravna struktura

Kod izokrenute pritisne strukture osjetni elementi su izolirani od baze, ime 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 postie fizikim izoliranjem osjetnih kristala od baze. Seizmike mase koje

djeluju kao toplotna izolacijska barijera. Ova mehanika poboljanja omoguuju stabilne

performanse na niskim frekvencijama, jer uticaj toplote moe rezultirati "klizanjem" signala kod

drugih pritisnih struktura.


9/20


9

Slika 2.6: Izolirana struktura

2.2.2. Piezootporniki

Piezootporniki akcelerometar koristi piezo-otporniki supstrat, a sila koja djeluje na masu

mijenja otpor kojeg registruje Wheatstoneov most. U uporedbi s piezoelektrinim

akcelerometrima, ova vrsta moe mjeriti ubrzanje do 0 Hz. Izrazito je malih dimenzija, i ima malu

nelinearnost. Jeftini su i imaju dosta veliku irinu frekvencijskog raspona. Njima se mogu mjeriti

vrlo visoke frekvencije (> 30 KHz). Osim toga za njihov rad potrebna je samo jednostavna obrada

podataka.

Nedostaci su velika osjetljivost na temperaturu, manji dinamiki opseg, vea osjetljivost

na udare i potreba za preciznim izvorom napajanja.

Slika 2.7: Shema piezootpornikog akcelerometra


10/20


10

2.2.3. Kapacitivni

Masa koja je na dva kraja spojena sa membranama ili sa oprugama, pokree se zavisnoo

akceleraciji. Jedna elektroda kondenzatora spojena je na tu masu dok je druga fiksirana.

Mjerenje pomaka seizmike mase kapacitivno samo po sebi ima prednosti pred

piezootpornikim principom. Ono daje veliki izlazni signal, dobar stacionarni odziv i bolju

osjetljivost zbog niskog uma. Glavni nedostatak je osjetljivost kapacitivnih senzora na

elektromagnetna polja iz njihove okoline pa ih zbog toga treba odgovarajue zatiti.

Takoer neizbjean je pad kvaliteta signala zbog parazitskih kapaciteta na ulazu u

diferencijalno pojaalo. Obino se detektuje diferencijalna promjena u kapacitetu. Kako se

seizmika masa odmie od elektrode, smanjuje se kapacitet, kad se primie elektrodi, kapacitet se

poveava. Ako se zanemare rubni efekti polja, promjena kapaciteta je danajednainom:

(2.1)

a proporcionalna je otklonu kojeg uzrokuje ulazna akceleracija samo ako je zadovoljena

pretpostavka malog otklona. Za precizne akcelerometre ova pretpostavka moda nije opravdana,

pa se prema tome da bi se otklon seizmike mase odrao malim moe koristiti upravljaka petlja.

Rezultantni pomak mase se mjeri pomou diferencijalnog kondenzatora koje je konstruisan

na nain da je jedan skup elektroda nepomian a drugi se moe slobodno pomicati. Pri tome su

pokretne elektrode privrene na pominu masu. Na nepomine elektrode se dovode pravougaoni

signali s faznim pomakom od 1800.

Iznos pomaka pomine mase pod djelovanjem akceleracije uzrokuje nestabilnost

diferencijalnog kondenzatora to za posljedicu ima pravougaoni izlazni signal ija amplituda jeproporcionalna izmjerenoj akceleraciji.


11/20


11

Slika 2.8: Kapacitivni akcelerometar

Mjerenjem rezultantnog faznog pomaka moe se odrediti smjer akceleracije. Opisani

postupak rada se primjenjuje za mjerenje akceleracije samo u jednom smjeru du osjetljive ose.

Raniji tipovi kapacitivnih senzora su obino bili izraivani u velikim koliinama i radili su

se spajanjem nekoliko ploica koristei tehnike zdruivanja. Veina naprava je imala osjetljivosti

okomito na ravninu ploice, sa krajnjim ploama na gornjoj i donjoj strani, koji su osim pruanja

priguenja sluili i kao elektrode za odreivanje kapaciteta.

Glavne prednosti kapacitivnih akcelerometra su visoka rezolucija i osjetljivost, jednostavni

mehaniki detektor, velika mogunost minijaturizacije, tehnoloka robusnost te dosta visoka irina

pojasnog raspona.

Nedostaci su niska linearnost i velika osjetljivost na temperaturu, zbog ega je potrebna

znatna temperaturna kompenzacija.


12/20


12

2.2.4. Servo akcelerometri s regulisanim pomakom

Karakteristike senzora zavise o tome radi li on u otvorenoj petlji ili u zatvorenoj petlji. Kod

servo akcelerometra inercijalna sila koja djeluje na seizmiku masu i uzrokuje njen pomak je

kompenzovana jednakom suprotnom silom koju daje elektromehaniki sistem. Struja koja pokree

sistem kompenzacije je proporcionalna mijerenoj sili.

Tanije inercijska akcija na seizmiku masu u poetku uzrokuje jako mali pomak koji se

preko motora kompenzuje im poremeaj pone. Pojaanje sa povratne veze je takvo da je pomak

seizmike mase jako mal, ime se smanjuje greka uslijed varijacije poloaja kao na primjer

histereze.

Postoji mnogo varijanti ovakvih senzora. Detektor poloaja moe biti optiki, kapacitivni

ili induktivni senzor. Na isti nain aktuatorski sistem moe biti ili elektrostatiki ili sa

permanentnim magnetom. Regulacija moe biti analogna ili digitalna.

Glavna prednost je odlina preciznost koja je uoptenomnogo puta bolja nego kod senzora

koji nemaju servo regulaciju. irina 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 irina frekvencijskog raspona.

Kod rada u otvorenoj petlji performanse su zadovoljavajue za uoptenu namjene i za

automobilsku primjenu, dok u sluaju korienja rada u zatvorenoj petlji rezolucija dostie

vrijednosti ispod jednog mikro g-a to ih ini prikladnima za inercijalnu navigaciju i navoenje.


13/20


13

Slika 2.9: Akcelerometar sa regulacijom momenta

2.2.5. Optiki

Za razvoj optikih senzora potreban je spoj raznih grana znanja i tehnologija kao to su

mikroelektronika, radioelektronika, optika vlakna itd. Pomak seizmike mase uslijed djelovanja

inercijske sile uzrokuje razne koeficijente odailjanja svjetlosti proizvedene laserskom diodom i

prenoene optikim vlaknom. Veliinaproputenog svijetla mjeri se fotodetektorom i pretvara u

napon ili struju. Cijeli optiki koncept koristei optika vlakna za prijenos svijetla elektriki je

pasivan, dok je izlaz senzora frekventno nezavisan prijenosnik. Korienjemmetalnih ogledala

umjesto mikrorezonatora materijal nudi nove mogunosti u oitavanju vanjskih sila kroz promjene

magnetskog polja.

Materijali mikrorezonatora mogu biti: legura bora i silicija, silicijum dioksid, silicijum

nitrid, metalna ogledala. Trenutno najvie koriteni mikrorezonator je silicijski mikro most spojen

na obe strane. Silicijski mikrorezonatri mogu biti spojeni direktno na kraj optikog vlakna

dovodei jeftin ekscentrini senzor sposoban za precizna mjerenja temeljena na frekvencijskom

oitanju.

Znaajke i ogranienja ovih akcelerometra: Premda su elektrino pasivni

mikrorezonirajui senzori mogu raditi u podrujima snanih elektromagnetskih smetnji.


14/20


14

Korienje frekvencije kod izlaznog parametra ima dvije glavne prednosti: mogu se

prenositi na velike udaljenosti bez grekei drugo mogu se lako digitalizirati koristei frekvencijski

broja.

Slika 2.10: Optiki akcelerometar

Prednosti optikih senzora su mala teina, neosjetljivost na udare, mala mehanika

histereza, elektrina pasivnost i frekvencijsko kodiranje izlaznog signala.

Nedostaci su kompleksna i skupa povezivanja podataka za obradu, velika temperaturna

osjetljivost i prosjene performanse.


15/20


15

3.IROSKOP

3.1. Uopteno

Uopteno iroskop je ureaj koji slui za mjerenje ugaonebrzine tijela vezanog za njega.

Tradicionalno mehaniki iroskopi se zasnivaju na inerciji rotacije krutog tijela, no razvijeni su i

vibracijski i optiki iroskopi. Ti iroskopi se zasnivaju na razliitim fizikalnim principima i

znaajno se razlikuju po veliini, masi, tanosti i cijeni. Svaki tip ima svoje prednosti i nedostatke

i svaki se koristi u razliite svrhe.

iroskop slui kao vaan orijentacijski senzor posebno tamo gdje ne postoji geomagnetsko

polje (u svemiru) ili je jako izoblieno zbog uticaja lokalnih magnetskih polja.

Premda se koristi za navoenje projektila, kontinentalnih balistikih raketa, brodova,

aviona, on je tokom istorije bio vana strateka tehnologija. Upravo to je doprinijelo njegovom

brzom razvoju i dananjim visokim performansama.

Slika 3.1: Primjena iroskopa za navoenje projektila


16/20


16

iroskopi se najee primjenjuju u automatskim pilotima na plovilima i avionima, u

sistemima za navoenje autonomnih vozila, letjelica, projektila, u sistemima upravljanja

svemirskim letjelicama, te u mobilnoj robotici.

Glavni parametri koji odreuju odabir tipa iroskopa su trajanje misije, potrebnapreciznost, te dinamika mijerenog sistema (o / s). Prema tome glavne mjere performansi iroskopa

su osjetljivost, rezolucija i stabilnost. Osnovna podjela iroskopa je na mehanike, optike i

vibracijske. U daljem tekstu objasniti e se principi rada prve grupe.

3.2. Mehaniki iroskopi

Mehaniki iroskopi rade na principu ouvanja ugaonogmomenta tijela koji kae da je ugaona

koliina kretanja bilo koje estice sistemas obzirom na neku fiksnu taku u prostoru konstantna,

ako na sistem ne djeluju vanjske sile.

Slika 3.2: Rotirajui disk postavljen u troosni kardanski sistem


17/20


17

Ako se na rotirajui disk primjeni vanjski moment njegova orijentacija e se promijeni

mnogo manje nego na mirujui disk. Kad se takav disk spoji na posebni nosa (kuite iroskopa)

njegova orijentacija ostaje gotovo ne promijenjena neovisno o kretanju platforme na koju je

postavljen. Osnovna jednaina koja odreuje ponaanje iroskopa je:

(3.1)

Gdje je vektor moment i L ugaona koliina kretanja, I je moment inercija, a je njegova ugaona

brzina, i vektor je ugaona akceleracija.

Iz toga slijedi da ako se moment primjeni okomito na osu rotacije, i prema tome okomito

na L, rezultat je rotacija oko ose okomite na i L. To kretanje se naziva precesija. Ugaona brzina

precesije pje:

= p L. (3.2)

Mehaniki iroskop se sastoji od diska velike brzine rotacije koji je postavljen u kardanski

ovjes sa tri stepena slobode kretanja. Osa rotacije rotirajueg iroskopa u bilo kojem poloaju

prilikom kretanja uvijek e nastojati biti paralelna sama sa sobom (odrati svoj smjer), uz mala

odstupanja koja uzrokuje trenje u leajevima ovjesa.

Slika 3.3: Rotacijski iroskop koriten kao autopilot na avionima (1950.)


18/20


18

Mehaniki iroskopi su konstruisani kao prstenasti elektromotori (ili vazduneturbine kod

aviona) kod kojih je masa rotora rasporeena po obodu prstena. Brzine rotacije preciznih iroskopa

doseu i do 20 000 okretaja po minuti. Zbog visokih zahtjeva na tanost izvedbe mehanikih

iroskopa, posebno teflonskih (ili vazdunih) leajeva motora i potrebe za korienjem visoko

kvalitetnih materijala, oni su vrlo skupi.

Nedostatak mehanikih senzora je to zbog masa koje se rotiraju na velikim brzinama oni

koriste puno struje. Takoer oni su zbog leajeva skloni troenju. Osim toga iroskop svojim

djelovanjem moe uticati na sam sistemu kojem je primijenjen.


19/20


19

4.ZAKLJUAKU sklopu ovog seminarskog rada objanjeni su samo najosnovniji ili bolje reeno najkorieniji

senzori ubrzanja i orjentacije (akcelerometri i iroskop). Ostali senzori orjentacije koji su

izostavljeni kao na primjer optike,vibracijske i sl. gdje otvaraju sasvim nova podruja i smjerove

u kojima se razvija industrija senzora.


20/20


20

LITERATURA

[1]http://www.analog.com28.01.2014.

[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 House,

2004.
http://www.analog.com/http://www.analog.com/http://www.analog.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.pcb.com/http://www.analog.com/

Documents

Seminarski senzori