Ćwiczenie 3

Cwicz. 3
Sensory i elementy wykonawcze
Temat ćwiczenia:
SiEWA/ASP
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.
03_SiEWA_ASP.docSP
1
07/10/2016
Cwicz. 3
Sensory i elementy wykonawcze
SiEWA/ASP
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 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 AX i AY 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 YOUT i XOUT 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 XOUT
i YOUT 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 – zestaw pomiarowy velleman PC-Lab 2000.
3. Zestaw ćwiczeniowy AKC/1.
3. Zadania
3.1 Uruchomić program oscyloskopu (ikona Pc_lab2000se). Sprawdzić poprawność
ustawienia w menu; powinno być zaznaczone : w oknie USB-Device PCSU 1000 a w oknie
LPT-Device NON. Zasilić zestaw - akcelerometr AKC/1) - napięciem stałym o wartości w
03_SiEWA_ASP.docSP
2
07/10/2016
Cwicz. 3
Sensory i elementy wykonawcze
SiEWA/ASP
zakresie +7÷15V. Przy pomocy oscyloskopu określić okres (częstotliwość) i współczynnik
wypełnienia przebiegów na wyjściach XOUT i YOUT – w opcji „view” oscyloskopu można
odczytać automatycznie zmierzone w/w parametry.
3.2 Sprawdzić wpływ napięcia zasilania na parametry z p. 3.1 i ustalić jego wartość dla
50% wypełnienia impulsu – akcelerometr ustawiony jest w obu osiach poziomo.
3.3 Zamontować sensor na wypoziomowanym kątomierzu, w pozycji umożliwiającej
pomiar charakterystyki XOUT() oraz przeprowadzić odpowiednie pomiary w położeniach
kątowych zmienianych co 5 w zakresie –90 do +90.
3.4 Dokonać ponownego mocowania sensora dla przekroju YOUT() i zdjąć odpowiednią
charakterystykę –jak w p. 3.3.
4. Opracowanie
4.1. Przedstawić w postaci wykresów ch-ki XOUT() i YOUT() (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 XOUT() i YOUT() obliczyć i wykreślić chki AX() i AY() (przyspieszenie statyczne w funkcji zadanego kąta).
4.4. Przekształcić charakterystyki AX() i AY() w ch-ki X() i Y() (kąt zmierzony sensorem
w funkcji kąta zadanego).
4.5. Przedyskutować liniowość i dokładność wykonanych pomiarów kąta pochylenia.
03_SiEWA_ASP.docSP
3
07/10/2016