PRACOWNIA METROLOGII

ĆWICZENIE 6:

Akwizycja danych za pomocą karty

PCI - Pomiar przyspieszenia

Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się ze sposobem pomiaru przyspieszenia.

Wykorzystywany sprzęt:

S.C. 2345 wraz z modułem SCC – ACC01, silnik prądu stałego z akcelerometrem

piezoelektrycznym, zasilacz regulowany prądu stałego.

Wprowadzenie

Przyspieszenie jest wielkością wektorową, gdzie wartość tego wektora jest równa wartości

pochodnej prędkości względem czasu w danej chwili (jest to miara zmienności prędkości).

t

d

r

d

dt

v

d

a

2

2







=

=

Ponieważ prędkość jest pochodną położenia względem czasu, więc przyspieszenie jest drugą

pochodną położenia względem czasu. Z drugiej strony znając wartość przyspieszenia można

przy pomocy całkowania (pomijając warunki początkowe) wyznaczyć prędkość oraz

położenie:

∫

=

dt

a

v





∫

∫

=

dt

a

v





Jednostką przyspieszenia w układzie SI jest metr na sekundę do kwadratu: m/s

2

. Przy

pomiarach często używaną jednostką jest przyspieszenie ziemskie g: 1 g = 9,8 m/s

2

.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

1

Pomiary przyspieszenia wykonuje się przy pomocy akcelerometrów. Jest to czujnik, którego

sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do przyspieszenia. Istnieje kilka typów

akcelerometrów:

Akcelerometr pojemnościowy

Jego budowa przypomina zestaw odpowiednio połączonych kondensatorów, w których część

okładek przemieszcza się pod wpływem działającej siły. Powoduje to zmianę pojemności

akcelerometru.

Akcelerometr konwekcyjny

Wykorzystuje różnicę między zjawiskami konwekcji swobodnej, polegającej na ruchu

cieczy lub gazu pod wpływem działania siły grawitacji spowodowany różnicą gęstości

substancji o różnej temperaturze a zjawiskiem konwekcji wymuszonej, polegającej na ruchu

cieczy lub gazu pod wpływem działania sił zewnętrznych. Akcelerometr posiada czujniki

temperatury mierzące rozkład temperatur.

Akcelerometr piezorezystancyjny

Zjawisko piezorezystancyjne polega na zmianie oporności półprzewodnika pod wpływem

przyłożonych z zewnątrz sił powodujących odkształcenie. Jest ono zaliczane do zjawisk

kinetycznych.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

2

Akcelerometr piezoelektryczny

Zjawisko piezoelektryczne zostało odkryte w 1880 roku przez Pierre i Jaque’a Curie.

Występuje ono w kryształach mających osie biegunowe. Typowym przykładem jest kwarc,

którego każda komórka elementarna sieci krystalicznej ma trzy biegunowe osie wykazujące

trwałe momenty dipolowe, jednak wypadkowy moment kryształu jest równy zero, ze względu

na symetrię rozłożenia osi biegunowych

Jeżeli kryształ poddamy ciśnieniu lub ciągnieniu w kierunku jednej ze wspomnianych osi,

symetria zostaje naruszona i kryształ uzyskuje wypadkowy moment elektryczny w kierunku

tej wyróżnionej osi. Moment ten jest proporcjonalny do ciśnienia. Występują również

momenty w jednym z kierunków prostopadłych do wyróżnionej osi, jednak są one znacznie

mniejsze.

Akcelerometr piezoelektryczny posiada wbudowaną tzw. masę sejsmiczną oddziaływującą na

element piezoelektryczny.

Akcelerometry ICP (Integrated Circuits Piezoelectronics) są to akcelerometry

piezoelektryczne z wbudowanym wzmacniaczem ładunku.

Budowa akcelerometru piezoelektrycznego działającego na ścinanie

Przygotował Grzegorz Śmigielski

3

Budowa akcelerometru piezoelektrycznego działającego na ściskanie

Czujnik tego typu potrzebuje jedynie dwóch przewodów służących jednocześnie do zasilania

prądem i wyprowadzenia napięciowego sygnału wyjściowego, który jest odbierany przez

różnicowy wzmacniacz zewnętrzny. Podstawową zaletą akcelerometru aktywnego ICP jest

dużo mniejsza podatność na zakłócenia a tym samym możliwość stosowania długich

przewodów połączeniowych i prostsza obsługa sygnału wyjściowego. Wady to ustalona

czułość i bardziej ograniczony zakres temperatur.

Akcelerometry można montować do badanych obiektów za pomocą klejenia, mechanicznie

(przykręcenie), na magnes.

Zastosowanie akcelerometrów:

•

diagnostyka maszyn

•

wyrównoważanie

•

ochrona środowiska

•

aktywna redukcja drgań

•

badanie charakterystyk dynamicznych maszyn i urządzeń

•

pomiar trajektorii ruchu przemieszczających się obiektów

Przyspieszenie ruchu drgającego:

a(t) = x”(t) = -x

0

ω

2

sin(ωt)

gdzie ω – częstość ruchu drgającego

Na masę sejsmiczną w czujniku przyspieszeń (akcelerometrze) przymocowanym do obiektu

drgającego działa siła:

F(t) = m x”(t) = -mx

0

ω

2

sin(ωt)

Sygnał wyjściowy akcelerometru jest proporcjonalny do tej siły, czyli do przyspieszenia.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

4

Zadania do wykonania:

I. Pomiar przyspieszenia i prędkości za pomocą akcelerometru piezoelektrycznego.

Ćwiczenie polega na pomiarze drgań silnika. Akcelerometr zamieszczony został na obudowie

silnika. Należy utworzyć program mierzący przyspieszenie oraz prędkość drgań.

Do pomiaru przyspieszenia dedykowany jest specjalny moduł SCC – ACC01 współpracujący

z urządzeniem S.C. – 2345.

Moduł SCC – ACC01 jest wyposażony w źródło prądowe I = 4mA zapewniające

odpowiednie zasilanie akcelerometru oraz wzmacniacz różnicowy sygnału z filtrem

dolnoprzepustowym 19 kHz.

Parametry akcelerometru użytego w ćwiczeniu:

Przygotował Grzegorz Śmigielski

5

Parametr
Czułość (± 10 %)

10.2 mV/(m/s²) 100 mV/g

Zakres pomiarowy

± 490 m/s²

Zakres częstotliwości (± 3 dB) 0.5 to 10,000 Hz
Częstotliwość rezonansowa

25 kHz

Nieliniowość

± 1 %

Odporność na uderzenie

49,050 m/s² pk

Temperatura pracy

-54 to +121 °C

Napięcie zasilające

18 to 28 VDC

Prąd wzbudzenia

2 to 20 mA

Impedancja wyjściowa

<150 ohm

Napięcie wyjściowe

8 to 12 VDC

Wymiary (średnica x wysokość) 18 mm x 42.2 mm
Masa

51 g

Element czuły

Ceramika

Typ

Działający na ścinanie

Zadanie a

Zbadać i przedstawić na wykresach zależność zmian przyspieszenia (amplituda) oraz

prędkości (amplituda) w zależności od napięcia zasilania silnika dla kilku różnych położeń

obciążnika. Napięcie zasilania zmieniać od 4 do 8 V co 0,5 V.

Najprostszy program odczytujący wartość napięcia (Analog Input->Voltage)

z akcelerometru

Zadanie b

Utworzyć program, który będzie wizualizował zmiany przyspieszenia oraz prędkości na

wykresie. Dodatkowo program ma mieć możliwość zapisywania przebiegów do pliku. Na

podstawie wygenerowanego pliku stworzyć wykresy w arkuszu kalkulacyjnym dla różnych

napięć zasilania oraz dla 3 położeń obciążnika. Zbadać wpływ skręcenia obudowy na poziom

drgań.

W sprawozdaniu należy umieścić wykresy, omówić przebieg ćwiczenia, dołączyć kody

programów.

Przygotował Grzegorz Śmigielski

6