Mikromechaniczne czujniki przyśpieszenia ADXL2XX

Opis czujnika
Budowa wewnętrzna czujnika
Zasada działania
Blok funkcjonalny
Plan ćwiczenia
Czujnik w akcji

Opis czujnika

Układ ADXL jest dwuosiowym, mikromechanicznym czujnikiem przyspieszenia. Służy do pomiaru zarówno dynamicznych jak i statycznych przyspieszeń. Układ posiada wyjścia analogowe (X_FILT, Y_FILT) oraz wyjścia cyfrowe (X_OUT, Y_OUT) sygnałów z obu osi. Uzyskany na wyjściach cyfrowych sygnał ma stały okres (czas próbkowania) i wypełnienie proporcjonalne do kąta nachylenia w danej osi.
Pasmo może być ustawiane między 0.01Hz, a 5kHz (5 kHz - tylko wyjście analogowe). Zakres pomiarowy czujnika ±2g (ADXL 202) ±10g (ADXL 210). Układ może być podłączony bezpośrednio do licznika mikroprocesora bez udziału przetwornika A/C.

Ogólny schemat mikromechanicznego czujnika przyśpieszenia ADXL2xx

Budowa wewnętrzna czujnika

Sensor zawiera międzypalczasty kondensator różnicowy. W układzie ADXL ma on konfigurację lateralną zrealizowaną w technice mikromechaniki powierzchniowej w polikrzemie.

Widok uproszczony struktury mikromechanicznej czujnika

Centralna ruchoma belka tworząc wraz z nieruchomymi belkami strukturę grzebieniową (46 kondensatorów), jest wychylana z położenia równowagi przez siły bezwładności. Ruchoma belka jest jednocześnie ruchomą okładką w strukturze kondensatora różnicowego, który utworzony jest przez odpowiednie połączenia elektryczne belek struktury grzebieniowej.

Widok rzeczywistej struktury czujnika

Zasada działania

Napięcia przyłożone do dolnej i górnej elektrody są przesunięte w fazie o 180 stopni. Napięcie to (o przebiegu prostokątnym) jest generowane w oscylatorze o częstotliwości 1MHz.

Gdy elektroda środkowa jest w położeniu równowagi (obie pojemności równe) sygnał wyjściowy V_OUT = 0.

Wychylenie tej elektrody o x daje napięcie równe (dla v₁ = V₀sin ct, v₂ = -V₀sinct)


d₀ - odległość spoczynkowa między elektrodami

Jeżeli x zmienia się harmonicznie z częstotliwością s, to sygnał wyjściowy (zmodulowany) można zapisać jako:



Sygnał ten poddaje się następnie demodulacji i filtracji aby uzyskać wyjściowe napięcie o częstotliwości s, proporcjonalne do przyspieszenia.

Blok funkcjonalny akcelerometru

Zmodulowane napięcie wyjściowe z centralnej elektrody sensora po przejściu przez bufor podawane jest na demodulator synchroniczny (demodulator postaci czteroćwiartkowego układ mnożącego). Zewnętrzny kondensator Cdem (CX,Y) ustala pasmo przenoszenia demodulatora (dalej opisany filtr dolnoprzepustowy).
Sygnał z demodulatora jest podawany na przedwzmacniacz pomiarowy, na wyjściu którego uzyskuje się sygnał VPR. Sygnał ten podawany jest jako sprzężenie zwrotne na wewnętrzną okładkę kondensatora, przywracając pozycję spoczynkową elektrody ruchomej i jest jednocześnie miarą badanego przyspieszenia.
Dodatkowy stopień wzmacniacza (nie uwzględniony na rysunku) pozwala dobrać współczynnik skali i offset napięcia wyjściowego.
Układ "self test" po aktywizacji napięciem zewnętrznym, powoduje przyłożenie do okładek kondensatora napięcia odchylającego elektrodę ruchomą, co jest równoważne przyspieszeniu 800mg.

Filtr dolnoprzepustowy tworzą: kondensator C_X,Y oraz rezystory kolektorowe demodulatora Rc = 33kOhm.
Na wyjściu demodulatora pojawia się napięcie o składowych:
- częstotl. sygnału s;
- częstotl. bocznej 2c-s;
- częstotl. bocznej 2c+s;
Składowe boczne zostają odfiltrowane.
Częstotliwość graniczna wynosi:



Sygnały odfiltrowane podawane są na 14 bitowy modulator DCM (o zmiennym wypełnieniu), na wyjściu którego uzyskuje się impulsy o określonym czasie powtarzania. Czas T₁ jest zależny od wychylenia czujnika. Dla 0g wypełnienie sygnału wynosi 50%, i zwiększa się o 12,5% / 1g dla ADXL202 (o 4% / 1g dla ADXL210)


Czas T2, określający szybkość próbkowania ustawiany jest rezystorem R_SET

w przedziale 0,5 - 10ms

Przyspieszenie wyskalowane w g wynosi: A(g)=(T₂/T₂-0.5)/12.5%

W układzie wykorzystano C_X,Y = 1µF, R_SET = 1MOhm, co daje g = 5Hz, oraz T₂ ok. 6ms

w górę

Plan ćwiczenia

Pełny plan ćwiczenia w formacie doc/zip dostepny jest tutaj.

1. Kalibracja czujnika.
2. Obserwacja działania czujnika jako miernika nachylenia.
3. Obserwacja przebiegów na wyjściach X i Y oraz XFILT, YFILT.
4. SELF TEST.
5. Pomiar charakterystyki UX=f(ax), UY=f(ay). Pomiar charakterystyki dx=f(UX), dy=f(UY).
6. Obserwacja wpływu uśredniania na dokładność pomiaru.
7. Obserwacja zmian długości T2.

1. Kalibracja czujnika

Uruchomić program accel.exe. Nastąpi automatyczna detekcja portu (w razie braku sygnału użytkownik sam może wybrać port). Po wyborze portu jeśli czujnik nie jest jednak włączony na monitorze pojawi się ekran oczekiwania na transmisję z czujnika. Po włączeniu czujnika powinien pokazać się ekran z procedurą kalibracji.

Podczas kalibracji czujnik należy trzymać w taki sposób, aby jego aktualnie kalibrowana oś była jak najbardziej równoległa do pionu (pozwala to najdokładniej zmierzyć sygnał przy pobudzeniu czujnika statycznym przyspieszeniem ziemskim, które pełni tu rolę wzorca). Dla dwukrotnego zwiększenia czułości w stosunku do wykonania jednego pomiaru wykonuje się dwa pomiary mierząc +1g i -1g.

Dla wyeliminowania błędów od szumów własnych czujnika dla każdego z 4 ustawień dokonywane jest uśrednienie 60 pomiarów.

Po skalibrowaniu czujnika, należy odpisać dla kanałów X i Y czułość oraz współczynnik wypełnienia impulsu dla 0g

2. Obserwacja działania czujnika jako miernika nachylenia

Po wciśnięciu SPACJI można obserwować graficznie aktualnie mierzone nachylenie płaszczyzny czujnika.

3. Obserwacja przebiegów na wyjściach X i Y oraz X_FILT, Y_FILT

Podłączyć wyjścia XOUT, YOUT do oscyloskopu, wyjścia X_FILT, Y_FILT do woltomierza. Zaobserwować jak zmieniają się przebiegi i napięcia wraz z pochylaniem czujnika. Odpisać czasy i napięcia dla +1g, 0g, -1g.

4. SELF TEST

Układ czujnika posiada wejście SELF TEST, które można sterować z urządzenia nadrzędnego, w naszym przypadku wejście to uaktywniane jest przyciskiem na płytce interfejsu.
Po wciśnięciu przycisku SELF TEST odpisać zmiany napięć i wypełnienia przebiegów.
Zmianę wartości wypełnienia przeliczoną na zmianę "g" należy umieścić w sprawozdaniu.

5. Pomiar charakterystyki U_X=f(ax), U_Y=f(ay) oraz dx=f(U_Xfilt), dy=f(U_Yfilt)

Zmierzyć zależność wypełnienia impulsów od napięcia dla kanałów X i
( dx=f(U_Xfilt), dy=f(U_Yfilt) ). Jeśli jest to możliwe, zmierz także kąt nachylenia czujnika. Charakterystyki umieścić w sprawozdaniu.

6. Obserwacja wpływu uśredniania na dokładność pomiaru

Zaobserwować wpływ uśredniania na zmiany wyników pomiaru (zmieniając liczbę uśrednianych pomiarów).
Jak zmienia się zmierzone przyspieszenie (przy nieruchomym czujniku) dla uśredniania 4 oraz 16 próbek?

7. Obserwacja zmian długości czasu T₂

Odpisać czas T₂ (większa cyfra przy współczynniku wypełnienia). Czas ten powinien pozostawać stały.
Zaobserwować zmiany czasu T₂ podczas:

• ogrzewania czujnika (np. przytrzymując go palcem jakiś czas),
• potrząsania czujnikiem.

Czujnik w akcji

Płytka bazowa.

Płytka bazowa - strona druku.



Test połączenia z komputerem.

Kalibracja w osi X, pomiar -1g.

Kalibracja w osi X, pomiar +1g (no, prawie :)).



Kalibracja w osi Y, pomiar -1g.



Kalibracja w osi Y, pomiar +1g.



Ekran programu ACCEL.

Widok płaszczyzny czujnika.

Inny widok płaszczyzny.



Czujniki ADXL w dostępnych obecnie obudowach.

Układ szybszy.