V tej raziskavi je bilo izpostavljenih precej razliˇcnih vplivnih dejavnikov na piezoupo-rovni senzor. Razumevanje teh je kljuˇcno za naˇcrtovanje nadaljnjega razvoja senzorja.
Cilj tega poglavja je te eksperimentalne rezultate postaviti v kontekst uporabe senzorja za meritve navora. V tem poglavju so obravnavani rezultati klasiˇcno pritrjenega piezo-uporovnega senzorja; ta ima namreˇc najveˇcji odziv in tudi prikazuje izhodiˇsˇcno stanje senzorja brez dodanih elementov. Tiskanine z integriranimi piezoupori imajo namreˇc enake oziroma podobne lastnosti. Razliko med njimi predstavlja predvsem bolj izrazit pojav lezenja in manjˇsa merilna obˇcutljivost.
Zaradi prisotnosti lezenja smo v dosedanjih eksperimentih izvedli vsako meritev ob enakem ˇcasu po obremenitvi. V tem primeru je merilna znaˇcilnica piezouporovnega senzorja linearna in je prikazana na sliki 4.10. Na njej smo izvedli ˇsest meritev ob upoˇstevanju zaˇcetnega odmika izhodnega signala. Na grafu je aproksimirana linearna funkcija, ki se zelo dobro ujema z meritvami. V tem primeru je bil maksimalni navor na konstrukcijo zgolj 6,57 N m. V vseh meritvah smo obiˇcajno konˇcno meritev dobili preko povpreˇcja zajetega signala; s tem nismo nikoli prikazali, kakˇsen je dejanski ˇsum, ki se pojavi v meritvi. Na grafu 4.10 je tako za vsako meritev dodano ˇse obmoˇcje ˇsuma. Skrajni meji predstavljata vrednost 3 sigma porazdelitve ˇsuma. ˇSum torej ni zanemarljiv faktor. V odvisnosti od zahtevane konˇcne toˇcnosti je torej potrebna doda-tna filtracija oziroma ˇcasovno povpreˇcenje signala. Z obremenitvami smo pri nekaterih testih dosegali deformacije do 100 µm/m. Odvisnost izhodne napetosti piezouporov-nega senzorja od deformacije je bila na tem obmoˇcju linearna in je imela naklon 2,1 mV/(N m). Enako meritev smo ponovili ˇse za primer integriranega senzorja 2. Ta je imel merilno obˇcutljivost enako 1,4 mV/(N m). Za primer integriranega senzorja 1 je bila ta enaka 0,5 mV/(N m).
Slika 4.10: Prikaz merilne znaˇcilnice piezouporovnega senzorja.
Rezultati in diskusija
Pri eksperimentih v temperaturni komori smo priˇsli do ugotovitve, da ima vsak pie-zoupor svoj naklon in smer temperaturne karakteristike. Izbrali smo izmerjeno tem-peraturno karakteristiko z najveˇcjo spremembo izhoda in to prikazali na grafu 4.11.
Prikazana je kot teoretiˇcni premik izhodiˇsˇcne napetosti senzorja. Merilna znaˇcilnica pri 80 °C ni bila izmerjena. Na grafu je prikazana zgolj za ponazoritev pogreˇska, do katerega lahko pride, ˇce temperaturni vplivi niso ustrezno kompenzirani. Brez tem-peraturne korekcije bi pri spremembi z 20 °C na 80 °C dobili spremembo izhodnega signala, ki se odraˇza v premiku celotne merilne znaˇcilnice. V neobremenjenem stanju bi senzor kazal izhodni signal, veˇcji od tistega, ki ga dobimo pri 6,57 N m. Izbrali smo temperaturno spremembo izhodnega signala, ki je kazala obvladljiv trend brez pojavov razliˇcnih anomalij; kljub temu je bila ta izbrana, da prikaˇze najbolj drastiˇcno spremembo. Ob kontroli in smernicah, ki so bile podane v poglavju 4.2, se lahko temperaturni vpliv dodatno zmanjˇsa. Glede na graf 4.11 je torej jasno vidno, da je temperaturno odvisnost senzorja treba izmeriti ˇse v konˇcnem sistemu. Glede na zah-tevane specifikacije se nato lahko sprejme odloˇcitev, ali je temperaturna kompenzacija potrebna.
Slika 4.11: Teoretiˇcna sprememba merilne znaˇcilnice piezouporovnega senzorja zaradi dviga temperature.
Sum in temperaturni odziv sta povsem neodvisna od merilnega obmoˇˇ cja, ki ga izbe-remo. Tako lahko preko linearnih zvez enostavno izraˇcunamo deleˇz, ki ga predstavljata na ˇsirˇsem merilnem obmoˇcju. Vpliv upogiba smo obravnavali ˇze v prejˇsnjih eksperi-mentih in ga naˇceloma reˇsuje sama zgradba piezouporovnega senzorja. Lezenje je zato eden izmed preostalih pomembnih dejavnikov in je predvsem odvisno od velikosti obre-menitve. Pri zelo nizkih obremenitvah je to prisotno v majhni meri oziroma ga sploh ni. Lepilo takrat ˇse vedno ustrezno prenaˇsa mehanske deformacije na piezouporovni
Rezultati in diskusija element. Te obremenitve so tako majhne, da se izhodni signal nahaja znotraj ˇsuma, ki ga ima senzor v izhodiˇsˇcnem stanju. V veˇcini praktiˇcnih meritev imamo torej prisotno lezenje, katerega vpliv se z obremenitvijo sorazmerno poveˇcuje. ˇCe so meritve izvedene vedno ob enakem ˇcasu po obremenitvi sistema, je ta vpliv linearen.
Graf 4.12 prikazuje, kako se lezenje spreminja v odvisnosti od linearno naraˇsˇcajoˇce obremenitve. Na grafu je s ˇcrtkano oranˇzno ˇcrto oznaˇcena povpreˇcna vrednost signala v ˇcasu 10 minut. Prvih 20 s meritve torej prikaˇze, za koliko se je signal dvignil nad to povpreˇcno vrednost. Pri obremenitvi 1,96 N m je bilo v odzivu prisotno zelo majhno lezenje, medtem ko je bilo pri navoru 7,85 N m to zelo oˇcitno opazno. Nekoliko viˇsja obremenitev je bila v tem testu izbrana zaradi nazornejˇsega prikaza lezenja. V odvi-snosti od velikosti obremenitve se torej spreminja tudi pogreˇsek, ki ga naredimo pri izvedbi meritve s senzorjem ob razliˇcnih trenutkih.
0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 17.5 20.0
Slika 4.12: Prikaz lezenja odziva piezouporovnega elementa v odvisnosti od razliˇcnih obremenitev.
Spremembo konˇcnega signala, ki ga povzroˇci lezenje, smo ˇse dodatno ovrednotili. Na meritvi, ki je trajala 11 minut, smo vzeli povpreˇcje signala v ˇcasu od 10 do 15 s ter v ˇcasu od 610 do 615 s. S povpreˇcno vrednostjo smo se izognili vplivom ˇsuma, ki lahko pri niˇzjih frekvencah zajema povzroˇca teˇzave. Razliko med tema dvema meritvama je predstavljal padec signala, ki ga je povzroˇcilo lezenje v ˇcasu 10 minut. Izvedli smo devet meritev. Pri prvi je bila konstrukcija neobremenjena. Najveˇcja obremenitev je znaˇsala 7,85 N m. Razlika signalov v ˇcasu 10 minut, kjer smo spreminjali obremenitev, je prikazana na grafu 4.13, kjer je prikazana tudi aproksimirana linearna funkcija, ki dobro popiˇse trend vrednosti. Pri nizkih obremenitvah je bilo lezenje torej prisotno.
Zaradi ˇsuma in preostalih dejavnikov ga je bilo zahtevneje zaznati. Pri vseh meritvah je padec signala v 10 minutah znaˇsal okoli 2% najveˇcje vrednosti signala po odzivu.
Rezultati in diskusija
Ta deleˇz se je nekoliko spreminjal v odvisnosti od hitrosti vzpostavitve obremenitve in preostalih zunanjih dejavnikov.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
M/(N m) 0.00
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
U/mV
Slika 4.13: Prikaz razlike izhodnega signala piezoupora v ˇcasu 10 minut pri razliˇcnih obremenitvah.
Diskusija
Lezenje signala je bilo prisotno pri skoraj vseh meritvah. Opisane ugotovitve kaˇzejo na to, da ga je mogoˇce ovrednotiti in ustrezno upoˇstevati v merilnem modelu. V primeru, da je to neustrezno za konˇcno aplikacijo, je v to smer treba usmeriti dodatne razvojne in raziskovalne napore. Naˇceloma je bilo lezenje v izvedenih testih preveˇc vplivno za uporabo senzorja za meritve navora. V nadaljnjem razvoju je torej treba izdelati veˇc senzorjev in pristopiti k izvedbi dodatnih eksperimentov. Treba je izvesti selekcijo lepil uporabljenih za merilne listiˇce. Primera sta lahko M-Bond 610 proizvajalcaMicro Measurements in EP-340 proizvajalca KYOWA. Dodatna parametra pritrjevanja sta lahko ˇse debelina lepila in hrapavost povrˇsine. Nova lepila in dodaten nadzor nad parametri pritrjevanja bi morala izboljˇsati raven lezenja; v nasprotnem primeru je potrebna bolj baziˇcna raziskava samega senzorja in njegovega vpliva na pojav lezenja.
Omeniti velja, da linearnost padanja signala v odvisnosti od obremenitve lahko kaˇze tudi na to, da je vzrok za lezenje drugje. Lepilo ima namreˇc obiˇcajno nelinearen vpliv.
Zelo pogosto se njegov vpliv pokaˇze zgolj, ko je prekoraˇcena doloˇcena obremenitev. V tej smeri je torej treba izvesti dodatne raziskave, ki bi razkrile pravi vzrok lezenja. Za to je potrebnih veˇc senzorjev, s katerimi bodo omogoˇceni eksperimenti za razumevanje in nadzorovanje lezenja.
Umerjanja piezoupora v tej ˇstudiji nismo izvedli. Lezenje se je v odvisnosti od obre-menitve spreminjalo, kot je bilo ˇze opisano. Na podlagi teh rezultatov je v prihodnjem
Rezultati in diskusija razvoju mogoˇce zasnovati sistem, na katerem bo mogoˇce umerjati razliˇcne mehanske dele, na katerih bodo pritrjeni piezouporovni senzorji. V naslednjem poglavju sledi kratek pregled vseh kljuˇcnih ugotovitev in komentirane so njihove implikacije v na-daljnjem razvoju ter potencialu uporabnosti senzorja. Na kratko so tudi zastavljeni naslednji koraki v razvoju senzorja.