Półprzewodnikowe czujniki przyspieszenia cz2.pdf

Klub Konstruktorów

Półprzewodnikowe czujniki

przyspieszenia część 2

W drugiej części

artykułu przed−

stawione są dalsze

istotne informacje na

temat czujników

przyspieszenia.

Podane przykłady

zastosowań, zalecane

układy aplikacyjne

oraz informacje

dodatkowe wystarczą

do samodzielnego

wykorzystania tych

bardzo interesujących

podzespołów. Czujniki

pokazane na górnej

fotografii trafią

bezpłatnie do rąk

Czytelników, którzy

do końca marca 1999

nadeślą najbardziej

przekonujące

propozycje ich

wykorzystania

Zestaw eksperymentalny

Firma Alfine wypożyczyła do prób

zestaw eksperymentalny, składający

się z małej płytki drukowanej, kabla

umożliwiającego podłączenie do portu

szeregowego komputera i oprogramo−

wania. Układ elektroniczny pokazany

jest na fotografii 7.

Maleńka płytka zawiera układ

ADXL202, mikrokontroler Microchip

16C63 oraz układ współpracy z łączem

szeregowym ADM232. Po zainstalo−

waniu oprogramowania można mie−

rzyć przyspieszenie (zmiany prędkoś−

ci) oraz nachylenie (położenie płytki

względem powierzchni ziemi). Rysun−

Fot. 6 Płytka układu ADXL202

Fot. 7 Płytka układu próbnego (evaluation board) − widok z dwóch stron

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Klub Konstruktorów

ki 11 i 12 pokazują zrzut z ekranu kom−

putera podczas przeprowadzonych

prób. Środkowe, kwadratowe okienko

pozwala na bieżąco śledzić chwilowe

położenie płytki z czujnikiem (jej usta−

wienie względem powierzchni ziemi),

natomiast podłużne okno z dwiema

kolorowymi krzywymi pokazuje prze−

bieg zmian przyspieszenia (w dwóch

prostopadłych osiach) w dłuższym

czasie.

Ten moduł eksperymentalny poka−

zuje, jak można wykorzystać układ

ADXL202 do współpracy z ze−

wnętrznym komputerem.

Na stronie internetowej “analoga”

(www.analog.com) chętni znajdą do−

datkowe informacje o sprzęganiu tego

czujnika z mikroprocesorem, a nawet

mogą ściągnąć listing stosownego

programu (prawdopodobnie tylko dla

kostki Microchip 16CXX).

Rodzina ADXL

Schemat blokowy pokazany na ry−

sunku 10 (w poprzednim numerze

EdW) dotyczy pierwszej wersji mierni−

ka przyspieszenia firmy Analog Devi−

ces, elementu ADXL50, o zakresie po−

miarowym ±50g, przeznaczonego

przede wszystkim do wyzwalania po−

duszek powietrznych w czasie wypad−

ku samochodu. W następnej kolejnoś−

ci firma wypuściła układ ADXL05 o za−

kresie pomiarowym ±5g. Ten czujnik

ze względu na zakres pomiaru może

być wykorzystany do wielu interesu−

jących zastosowań. Obecnie firma A−

nalog Devices obok ADXL05 produku−

je układy ADXL150, ADXL250 i

ADXL202.

Wersje ADXL05, ADXL150 i

ADXL250 mają wyjście analogowe −

sygnałem wyjściowym jest napięcie

stałe (w kostce ADXL05 w spoczynku

jest to napięcie odniesienia równe

+1,8V, w ADXL150 i 250 jest to poło−

wa napięcia zasilającego). W oznacze−

niu trzycyfrowym pierwsza cyfra infor−

muje o liczbie osi pomiarowych. Ukła−

dy ADXL250 i ADXL202 zawierają po

dwa ruchome czujniki i mierzą przy−

spieszenie w dwóch wzajemnie pro−

stopadłych osiach. Rozszerza to zna−

cznie zakres ich zastosowań. Dwie

ostatnie cyfry wskazują zakres pomia−

rowy: ADXL50, 150 i 250 mają zakres

±50g, ADXL05 ma zakres ±5g,

ADXL202 ±2g.

Najnowsza kostka ADXL202 ma

wbudowany przetwornik analogowo−

cyfrowy i sygnałem wyjściowym jest

przebieg prostokątny o stałej częstotli−

wości. Wielkością wyjściową, zależną

od przyspieszenia jest współczynnik

wypełnienia tego przebiegu prosto−

Rys. 11 Zrzut z ekranu komputera

kątnego (ale na zewnętrznych konden−

satorach filtrujących dostępny jest też

sygnał analogowy). Umożliwia to bar−

dzo prostą współpracę z mikroproce−

sorem.

Rysunek 13 przedstawia schematy

blokowe i rysunki obudów dostępnych

dziś układów ADXL. Czujniki z numera−

mi 150, 250 i 202 są dostępne jedynie

w obudowach SMD, nie występują w

“klasycznej” obudowie DIL. Nie po−

winno to jednak być przeszkodą dla

nieco bardziej zaawansowanych Czy−

telników.

Schematy pokazane na rysunkach

13...16 ilustrują różne możliwości wy−

korzystania układów ADXL i będą po−

mocą przy projektowaniu własnego

układu pomiarowego.

Kostka ADXL50 została wyparta

przez znacznie lepsze ADXL150 i 250.

Ci następcy mają co prawda zakres po−

miarowy aż ±50g, jednak dzięki zna−

cznie zmniejszonym szumom i dużej

rozdzielczości (10mg), nadają się także

Rys. 12 Zrzut z ekranu komputera

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3S/99

Klub Konstruktorów

Rys. 13 Obudowy i schematy blokowe dostępnych układów

ADXL202

do pomiarów w zakresie nawet ±1g.

Ponieważ Czytelnicy głównie będą

pracować w zakresie pomiarowym do

±5g, także dla układów ADXL150 oraz

ADXL250 przedstawiono aplikacje do

pracy przy małych wartościach przy−

spieszenia.

Jak należało się spodziewać, dzięki

wręcz mikroskopijnym rozmiarom ele−

mentów pomiarowych, częstotliwości

rezonansu własnego wynoszą kilka−

naście...kilkadziesiąt kiloherców, co

umożliwia pomiary wstrząsów i drgań

w pasmie do co najmniej 1kHz. Pasmo

pomiarowe jest tu zdecydowanie szer−

sze niż w rozmaitych czujnikach przy−

spieszenia starego typu.

Przy projektowaniu urządzenia wy−

korzystującego opisywane czujniki

przyspieszenia koniecznie trzeba

zwrócić uwagę na rozdzielczość, po−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Klub Konstruktorów

Rys. 14 Przykład wykorzystania ADXL05

tości

przyspie−

szenia, a

nie do

wielkości

wyjścio−

wej,

którą jest

napięcie, a

w układzie ADXL202 − współczynnik

wypełnienia. Ułatwia to porównanie

właściwości różnych czujników.) Osta−

teczny poziom szumów wyrażony w

jednostkach g zależy od szerokości

pasma pomiarowego. Czym węższe

pasmo, tym mniejsze szumy. W wielu

zastosowaniach, zwłaszcza przy po−

miarach nachylenia, czyli przyspiesze−

nia statycznego, wymagane pasmo

przenoszenia układu można zdecydo−

wanie zredukować, a tym samym zna−

cząco (kilkukrotnie) zmniejszyć szumy.

Ale dobra rozdzielczość i mały po−

ziom szumów (0,005...0,01g) to nie

wszystko. Jak każdy rzeczywisty

układ, czujnik ADXL przy zerowym

przyspieszeniu wcale nie musi mieć

wskazań równych zeru. Jest to tak

zwany błąd przesunięcia, czyli offset.

Na szczęście ten błąd, choć może być

duży (do kilku g) jest stały i można go

bardzo łatwo wyeliminować podczas

kalibracji. Niestety, sygnał wyjściowy

przy niezmiennym przyspieszeniu

zmienia się pod wpływem temperatu−

ry i to niestety znacznie, nieporówna−

nie więcej niż wspomniany wcześniej

poziom szumów. Przy zmianach tem−

peratury struktury pomiarowej od 0 do

+70 0 C wskazania mogą się zmienić aż

o 0,1...0,3g. Przy pomiarach przyspie−

szeń rzędu 20...50g błąd rzędu 1%

można pominąć. Przy pomiarze (ma−

łych) przyspieszeń dynamicznych po−

wolny dryft wskazań można wyelimi−

nować, ale już przy pomiarach nachy−

lenia, gdy robocze wartości przyspie−

szenia statycznego wynoszą od −1g do

+1g, dodatkowa zmiana wskazań o

0,1...0,3g ma ogromne znaczenie. Pro−

jektując czułe i stabilne urządzenia, nie

wolno więc pomijać wpływu tempera−

tury. Należy albo przeprowadzać okre−

sową kalibrację zera, albo zastosować

inne środki zaradcze, choćby utrzymy−

wać czujnik w stałej temperaturze.

Wspomniany problem dryftu jest je−

dnym z najpoważniejszych. Oprócz te−

go, w precyzyjnych zastosowaniach

trzeba jeszcze brać pod uwagę kwe−

stię zasilania, przebieg ścieżek płytki

drukowanej, wpływ zewnętrznych za−

kłóceń radiowych (EMI), częstotliwość

ziom szumów własnych i zmiany

(dryft) wskazań pod wpływem różnych

czynników zewnętrznych, zwłaszcza

temperatury. Chodzi o to, że na przy−

kład przy zerowym przyspieszeniu, na

wyjściu czujnika będzie występować

jakiś sygnał zmienny (szumy własne)

oraz stały lub wolnozmienny (błąd ka−

libracji i dryft temperaturowy). Nie

można tego zlekceważyć w precyzyj−

nych urządzeniach pomiarowych.

Rozdzielczość przy pełnym pasmie

pomiarowym wynosi 0,005...0,01g.

Rozdzielczość ta ograniczona jest głó−

wnie przez poziom szumów własnych.

Tak zwana gęstość szumów wynosi

0,5...1mg/pierwiastek z herca. (Dla u−

proszczenia, większość podawanych

parametrów odniesiona jest do war−

Rys. 15 Wyłącznik uruchamiany nadmiernymi wibracjami

Osoby,, które do końca marca 1999 na−

deśllą najjbardziiejj przekonujjące propozy−

cjje zastosowaniia ukłładów ADXL,, otrzy−

majją bezpłłatniie próbkii tych czujjniików..

Do rozdaniia mamy dwa ukłłady ADXL05

oraz 1 podwójjny ADXL250..

Zapraszamy do nadsyłłaniia swych propo−

zycjjii wykorzystaniia tych ukłładów! Liist

powiiniien zawiierać tekst z opiisem ukłła−

du oraz schemat iideowy proponowane−

go ukłładu..

Czytellniiku! Przekonajj Redakcjję,, że

włłaśniie Tobiie warto udostępniić ten ciie−

kawy ellement..

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3S/99

Klub Konstruktorów

danymi katalogo−

wymi czujników

przyspieszenia.

Dalsze szcze−

góły są dostępne

w Internecie,

skąd spod adre−

su:

Rys. 16 Układ ADXL150/250 z dodatkowym filtrem

www.ana−

log.com można

ściągnąć pełne

karty katalogowe

zawierające do−

datkowe uwagi i

wskazówki. Ta−

bela 1 została

uzyskana właś−

nie w ten sposób

− zawiera świeże

informacje o no−

wych kostkach

(ADXL210, 190),

które nie są jeszcze dostępne u dys−

trybutorów.

Szczegółowe informacje handlowe

dostępne są w firmie Alfine (reklama

poniżej).

rezonansu własnego (mechanicznego)

płytki drukowanej i całego urządzenia

pomiarowego. Wyczerpujący opis

wszystkich wspomnianych układów,

problemów i wskazówek konstrukcyj−

nych podany jest w katalogu.

W niniejszym artykule zostały

przedstawione tylko najważniejsze in−

formacje, pozwalające przeprowadzić

próby z tymi interesującymi układami.

Opublikowany materiał całkowicie wy−

starczy do zbudowania układu i prze−

prowadzenia wstępnych prób. Osoby,

którym w ramach Klubu Konstrukto−

rów bezpłatnie przekażemy te układy

do prób, otrzymają także CD−ROM−y z

(red)

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/99

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: