Temat ćwiczenia: AKCELEROMETRYCZNY SENSOR POCHYLENIA

1. Wprowadzenie

Sensor pochylenia (odchylenia od położenia pionowego) wykorzystywany jest do określania położenia robota lub jego elementów wykonawczych. Celem ćwiczenia jest prezentacja nowo­czesnego sensora pochylenia, wykorzystującego dwuosiowy akcelerometr półprzewod­niko­wy (czujnik przyspieszenia) o czułości umożliwiającej pomiar ziemskiego przyspieszenia grawita­cyjnego.

W ćwiczeniu wykorzystywany jest dwuosiowy akcelerometr monolityczny ADXL202 firmy Analog Devices. Jest to pojemnościowy sensor przyspieszenia zawierający kondensator różnicowy, którego elektrody wykonane są w drodze mikroobróbki. Jedna z elektrod (ruchoma) pełni rolę członu masowego sensora. Wartość przyspieszenia określana jest poprzez pomiar różnicy pojemności dwóch kondensatorów, występujących pomiędzy ruchomą elektrodą środkową i dwiema nieruchomymi elektrodami zewnętrznymi.

Rys 1. Budowa monolitycznego sensora przyspieszenia z kondensatorem różnicowym

Układ scalony sensora zawiera także odpowiedni układ kondycjonujący, niezbędny ze względu na małe wartości mierzonych pojemności. Na jego wyjściu znajduje się modulator współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego o stałej amplitudzie; taka postać sygnału wyjściowego ułatwia współpracę z zewnętrznym mikrokontrolerem.

Rys 2. Schemat funkcjonalny pojemnościowego sensora przyspieszenia ADXL202

Układ scalony ADXL202 zawiera dwa akcelerometry, o osiach wzajemnie prostopadłych, usytuowanych w płaszczyźnie powierzchni obudowy. Jego zakres pomiarowy wynosi ±2 g, a układ może mierzyć zarówno przyspieszenie związane z drganiami, jak i przyspieszenie statyczne (grawitacyjne). Szerokość pasma częstotliwości sensorów jest regulowana w zakresie 0,01 Hz do 5 kHz i 01z01 i jest dobierana odpowiednio do zastosowania.

Możliwość pomiaru ziemskiego przyspieszenia grawitacyjnego omawianym, dwuosiowym akcelerometrem sprawia, że jest on często wykorzystywany jako sensor pochylenia (odchylenia od położenia pionowego). Algorytm przeliczania zmierzonych wartości przyspieszenia grawitacyjnego A_X i A_Y na kąty pochylenia związane z osiami X i Y, podane są na stronie 9 danych katalogowych układu ADXL202 (w załączeniu).

Nominalny zakres zmian współczynnika wypełnienia w ziemskim polu grawitacyjnym (±1 g) wynosi 37,5% - 62,5%, z wartościami środkowymi 50% na wyjściach Y_OUT i X_OUT przy poziomym usytuowaniu osi Y i X (0 g). W praktyce mamy do czynienia zarówno z rozrzutem wartości środkowych jak i czułości sensora. Powoduje to konieczność kalibracji sensora wykorzystującego konkretny egzemplarz układu ADXL202. Otrzymane w wyniki kalibracji parametry wykorzystywane są następnie w algoryt­mach przeliczających sygnały wyjściowe X_OUT i Y_OUT na położenia kątowe. Odpowiednia procedura kalibracyjna jest podana na stronie 10 danych katalogowych układu ADXL202 (w załączeniu).

2. Zestaw aparatury

1. Zasilacz napięcia stałego +7÷15V/0.1A;

2. Oscyloskop cyfrowy, umożliwiający pomiar współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego .

3. Zestaw ćwiczeniowy AKC/1.

3. Zadania

Zestaw AKC/1 zasilić napięciem stałym o wartości w zakresie +7÷15V. Przy pomocy oscyloskopu określić okres (częstotliwość) przebiegów na wyjściach X_OUT i Y_OUT. Zaobserwować charakter zmian w postaci przebiegów na wyjściach X_OUT i Y_OUT przy zmianach usytuowania osi X i Y sensora.

Zamontować następnie sensor na wypoziomowanym kątomierzu, w pozycji umożliwiają­cej pomiar charakterystyki X_OUT(ϕ) oraz przeprowadzić odpowiednie pomiary w położeniach kątowych zmienianych co 5° w zakresie -90° do +90°.

Po przemontowaniu sensora zdjąć charakterystykę Y_OUT(ϕ).

4. Opracowanie

4.1. Przedstawić w postaci wykresów ch-ki X_OUT(ϕ) i Y_OUT(ϕ) (zmiany współczynników wypełnienia w funkcji położenia kątowego), zmierzone w p.3.

4.2. Przy pomocy proponowanej przez producenta akcelerometru procedury (12 strona danych katalogowych układu ADXL202 - www.analog.com) przeprowadzić kalibrację sensora dla obu osi X i Y.

4.3. Na podstawie danych kalibracyjnych i pomiarów X_OUT(ϕ) i Y_OUT(ϕ) obliczyć i wykreślić ch-ki A_X(ϕ) i A_Y(ϕ) (przyspieszenie statyczne w funkcji zadanego kąta).

4.4. Przekształcić charakterystyki A_X(ϕ) i A_Y(ϕ) w ch-ki Φ_X(ϕ) i Φ_Y(ϕ) (kąt zmierzony sensorem w funkcji kąta zadanego).

4.5. Przedyskutować liniowość i dokładność wykonanych pomiarów kąta pochylenia.

Cwicz2 Sensory i elementy wykonawcze SEW/CPT/AKC

1

SEW-Lab-AKC-2a.doc 22/11/2007

---