Merilna veriga

Celotno merilno verigo eksperimentalnega sistema smo prikazali ˇze na sliki 3.9. V tem poglavju so izpostavljeni predvsem njegovi kljuˇcni elementi in njihove karakteristike.

Opisan je tudi razlog za njihovo uporabo in potencialne pomanjkljivosti.

3.2.1.1 Ojaˇcevalnik signala

Kot opcijski element merilne verige smo izdelali tudi preprosto elektriˇcno vezje, pri-kazano na sliki 3.10. Z njim je bilo mogoˇce ojaˇciti izhodni signal merilnih listiˇcev ali piezouporov. Izdelali smo ga predvsem za dodatno fleksibilnost pri izvajanju meritev.

Metodologija raziskave Pomemben je predvsem v primeru klasiˇcnih merilnih listiˇcev, ki imajo v primeru togih konstrukcij lahko zelo majhen izhodni signal. Tiskanina z elektriˇcnim vezjem omogoˇca napajanje piezouporovnega senzorja ali merilnega listiˇca ter ojaˇcitev diferenˇcnega si-gnala kot merjene veliˇcine. Ojaˇcitev se lahko doloˇca z izbiro upora, ki povezuje dve nogici instrumentalnega ojaˇcevalnika. Zaradi laˇzjega zajema signala je izhodiˇsˇcna vre-dnost izhodnega signala enaka polovici napajalne napetosti; v obiˇcajnem primeru je ta znaˇsala 5 V. Tako smo dosegli, da se je signal lahko spremenil v obe smeri, kot je to tudi obiˇcajno pri merjenju preko Wheatstonovega mostiˇca. Tiskanina omogoˇca ˇse preprosto dodajanje pasivnega analognega filtra prvega ali drugega reda. Z izbiro ustrezne kombinacije uporov in kondenzatorjev se lahko filtrirajo visoke frekvence, v signalu obiˇcajno prisotne kot ˇsum. Ojaˇcevalno vezje omogoˇca velik razpon mogoˇcih vrednosti napajanja, kot tudi vhodnega signala, ki je bil ojaˇcan. Kljub temu se je lahko pojavila teˇzava v primeru visoke vrednosti izhodiˇsˇcnega odmika signala meril-nega Wheatstonovega mostiˇca; pri visokem ojaˇcanju lahko ta naraste ˇcez napetost, s katero v tistem trenutku napajamo vezja — takrat je bilo torej treba poveˇcati napeto-stno raven napajanja, kar pa je povzroˇcilo segrevanje vezja.

Slika 3.10: Prikaz tiskanine za ojaˇcitev izhodne diferenˇcne napetosti merilnega Wheatstonovega mostiˇca.

3.2.1.2 Zajem signala

Za zajem in pretvorbo signala smo uporabili merilno karticoNI USB-6361 Mass Termi-nation proizvajalca National instruments [31]. Kartica ima 16-bitni A/D-pretvornik, omogoˇca zajem sedmih analognih vhodov in je zmoˇzna napajati senzorje z napetostjo 5 V. Merilno obmoˇcje analognih signalov je mogoˇce nastavljati od -10 V do +10 V. V odvisnosti od velikosti nastavljenega obmoˇcja se spreminja tudi loˇcljivost, definirana s 16 biti. ˇCe je merilno obmoˇcje veliko 200 mV, znaˇsa loˇcljivost 3,2 µV; ta se je izkazala kot ustrezna za veˇcino naˇsih meritev. Prilagodljivost merilnega obmoˇcja na merilni kartici in tiskanina za ojaˇcitev signala sta omogoˇcali veliko fleksibilnost pri meritvah, a bi za umerjanje senzorjev pri nadaljnjem delu kljub temu ˇzeleli uporabiti kartico z veˇcjim ˇstevilom bitov A/D-konverzije, saj ta ˇse dodatno izboljˇsa loˇcljivost meritev.

Metodologija raziskave

3.2.1.3 Uporabniˇski vmesnik

Za zajem merilnega signala in nadzor parametrov merjenja smo uporabljali programski jezik Python. Proizvajalec National instruments je ustvaril visokonivojsko knjiˇzico, s katero je mogoˇce postopek merjenja enostavno nadzorovati. Programski jezik omogoˇca nadzor parametrov merjenja in poslediˇcno veliko prilagodljivost glede na trenutne ek-sperimentalne potrebe — obenem pa s tem nimamo dostopa do prikaza zajema v realnem ˇcasu, ki je navadno integriran v programih, ki jih ustvari proizvajalec merilne opreme. To je pri testiranju novega senzorja zelo pomembno, saj lahko pripelje do no-vih ugotovitev in pripomore k boljˇsemu naˇcrtovanju prihodnjih eksperimentov. S tega staliˇsˇca bi bilo bolje uporabiti enega izmed programov, ki jih ponuja proizvajalec in ima realni prikaz meritev, integriran na ravni branja podatkov iz merilne kartice same.

Ker do teh programov nismo imeli dostopa, smo se odloˇcili ustvariti svoj uporabniˇski vmesnik, ki to moˇznost omogoˇca; prikazan je na sliki 3.11. Vmesnik je bil razmeroma preprost in se po delovanju ni mogel primerjati z dodelanimi programi proizvajalcev merilnih kartic, vendarle pa je omogoˇcal izvedbo vseh kljuˇcnih funkcij za zajem meritev pri izvajanju naˇsih eksperimentov. Obenem smo ga lahko tudi prilagajali glede na naˇse potrebe.

Slika 3.11: Ustvarjen uporabniˇski vmesnik za prikaz meritev v realnem ˇcasu in nadzor nad parametri merilne kartice.

Grafiˇcni vmesnik je omogoˇcal prikaz signala senzorjev v realnem ˇcasu. Ob zagonu je izraˇcunal tudi povpreˇcje trenutnega signala vseh senzorjev v specificiranem ˇcasovnem obdobju, s ˇcimer je doloˇcil odmik izhodiˇsˇcne vrednosti posameznega senzorja (angl.

offset). Omogoˇcal je tudi spreminjanje razliˇcnih parametrov prikaza in poimenovanje posameznih signalov. Za dolge meritve smo z njim lahko shranili vse zajete podatke znotraj izbranega ˇcasovnega okna, k temu zajetju pa smo lahko dodali tudi opis eks-perimenta in druge podrobnosti, pomembne pri kasnejˇsi analizi podatkov.

Vmesnik je signal zajemal z niˇzjo frekvenco kot pa kartica, saj smo bili omejeni s hitrostjo branja podatkov iz kartice s programskim jezikom Python. Ta sinhronizacija je vsekakor boljˇse izvedena v programih, ki jih ponuja National instruments. ˇCe bi

Metodologija raziskave v prihodnosti ˇzeleli opravljati meritve pri dinamiˇcnih pogojih, bi ta program morali nagraditi oziroma uporabiti katerega izmed programov proizvajalcev merilne opreme.

Za zajem signala pri viˇsjih frekvencah vzorˇcenja smo uporabili preprostejˇse programe, ki smo jih napisali v Pythonu. Zajemanje podatkov smo takrat lahko izvedli tudi z drugaˇcnimi frekvencami, podatke meritev pa izrisali zgolj po konˇcani meritvi. Za spremljanje obnaˇsanja senzorja smo pri eksperimentih uporabljali uporabniˇski vmesnik, ki je bil kljuˇcen za opazovanje prehodnih pojavov, pojavov lezenja, vpliva svetlobe in doloˇcanja sprememb odmika izhodiˇsˇcnega stanja.