Mikromechaniczne czujniki przyśpieszenia ADXL2XX

Mikromechaniczny czujnik przyśpieszenia
1. Wymagany zakres wiadomości
Skrót MEMS.
ADXL202 - schemat mikromenchaniczny z opisem.
ADXL202 - schemat elektryczny z opisem.
2. Opis czujnika przyśpieszenia ADXL202
1. Zasada działania
Układ ADXL jest dwuosiowym, mikromechanicznym czujnikiem przyspieszenia. Służy do
pomiaru zarówno dynamicznych jak i statycznych przyspieszeń. Układ posiada wyjścia
analogowe (XFILT, YFILT) oraz wyjścia cyfrowe (XOUT, YOUT. Uzyskany na wyjściach
cyfrowych sygnał ma stały okres i wypełnienie proporcjonalne do przyspieszenia. Zakres
pomiarowy czujnika wynosi ±2g (ADXL 202).
Schemat mikromechanicznego czujnika przyśpieszenia ADXL202
2. Schemat mikromechaniczny
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
3. Schemat elektryczny
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 VOUT = 0. Wychylenie tej elektrody o x daje napięcie równe (dla V1 = V0sin(ωct),
V2 = -V0sin(ωct) )
gdzie d0 - odległość spoczynkowa między elektrodami
Jeżeli x zmienia się harmonicznie z częstotliwością ωs, to sygnał wyjściowy (zmodulowany)
można zapisać jako:
Sygnał ten poddaje się następnie demodulacji i filtracji aby uzyskać wyjściowe napięcie o
częstotliwości ωs, proporcjonalne do przyspieszenia.
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 przyspieszenia działającego na czujnik. Dla 0g wypełnienie sygnału wynosi 50%, i
zwiększa się o 12,5% /g .
Czas T2, określający ustawiany jest rezystorem RSET. Przyspieszenie wyskalowane w g
wynosi:
A(g)=(T1/T2-0.5)/12.5%
4. Realizacja ćwiczenia
Wyznaczenie współczynnika czułość czujnika ADXL202
1. Zamocować czujnik w uchwycie.
2. Obracając czujnikiem znaleźć zanotować wartość maksymalną (przyspieszenie +G) i
minimalną napięcia (przyspieszenie -G) dla osi „dłuższej” (oś czujnika zgodna z osią
dłuższą płytki). Czynność powtórzyć dla osi „krótszej” (oś czujnika zgodna z osią
krótszą płytki). Napięcie z czujnika odpowiadające poszczególnym osiom mierzymy
na terminalach płytki drukowanej podłączonej do karty pomiarowej.
Napięcie odpowiadające osi dłuższej mierzymy między kablem w kolorze czarnym a
zielonym. Napięcie odpowiadające osi krótszej mierzymy między kablem w kolorze
czarnym a żółtym. (Opis pomiaru napięcia przy pomocy miernika załączono na końcu
instrukcji)
Na podstawie zebranych pomiarów wyznaczyć czułość czujnika dla osi „dłuższej” i
„krótszej”. Wyniki porównać z kartą katalogową czujnika dołączoną do instrukcji.
(wartości dla napięcia zasilania 3.0V).
Wyznaczanie kąta nachylenia przy pomocy czujnika ADXL202
1. Obrócić czujnik do kąta odpowiadającej maksymalnej wartości napięcia dla osi
„dłuższej”. Przesunąć czujnik do najbliższego kąta będącego wielokrotnością
dziesięciu. Obrócić płytkę o 200 stopni rejestrując wartości napięć dla obu osi co 10
stopni.
2. Wykreślić zależności przyspieszenia od kąta odczytanego z uchwytu dla obu osi
czujnika.
3. Na
oddzielnym
wykresie
wykreślić
zależność
kąta
pomiędzy
kierunkiem
przyspieszenia ziemskiego (G) a poszczególnymi osiami czujnika od kąta odczytanego
z uchwytu. Rozkład wektorów przyspieszenia ziemskiego (G) oraz przyspieszeń
mierzonych przez czujnik wzdłuż osi dłuższej (Gd) oraz krótszej (Gk) pokazano
poniżej.
Rejestracja przyspieszenia podczas swobodnego spadku
1. Zamocować czujnik ADXL202 do ciężarka.
2. Za zgodą prowadzącego zrzucić ciężarek na matę z wysokości ok. 1m.
3. Za pomocą programu AGIMAG zarejestrować przebieg napięcia dla całego
eksperymentu tj. od ok. 2 sekund przed momentem puszczenia ciężarka do momentu
uderzenia ciężarka w podkładkę. (Skrót do programu AGIMAG znajduje się na
pulpicie, opis programu znajduje się w dodatku na końcu instrukcji, należy stawić
częstotliwość próbkowania na 10kHz, włączyć 4 i 5 kanał, dla obu kanałów ustawić
czułość na +/-2.5V).
4. Wykreślić zależność przyspieszenia mierzonego wzdłuż osi „dłuższej” czujnika od
czasu.
Zinterpretować
jakościowo
i
ilościowo
(wartości
przyspieszeń)
charakterystyczne części wykresu.
Obsługa Miernika
Miernik pozwala na prace w trybie oscyloskopu i multimetru. W ćwiczeniu z miernikiem
przyspieszenia używany jest w trybie multimetru do pomiaru napięcia stałego (ramka po
lewej). Należy zwrócić uwagę żeby miernik ustawiony był do pomiaru napięcia stałego
(ramka środkowa) w zakresie 4V (ramka po prawej). Prawidłowe wartości ustawień pokazano
poniżej. Poszczególne wartości ustawień zmieniamy za pomocą przycisków zaznaczonych
strzałkami.
Ponadto w celu przeprowadzenia prawidłowego pomiaru kabel czarny należ podpiąć go
gniazda czarnego a żółty do czerwonego.
Ćwiczenie powstało na podstawie instrukcji przygotowanej przez dr. Wojciecha Maziarza
w ramach projektu z przedmiotu "Inteligentne układy sensorowe".