Primerjava odziva piezouporovnega senzorja in merilnih listiˇ cev 27

Izvedli smo tudi primerjavo med odzivom merilnega listiˇca in piezouporovnega sen-zorja. Relativno smo primerjali velikost odzivov obeh senzorjev in vzeli maksimalne toˇcke hipnega vzbujanja na torzijo. Zaradi obremenjevanja z roko je bil raztros meritev dokaj velik, pokazal pa je, da je odziv piezoupora 50–70-krat veˇcji od odziva merilnega listiˇca. Ta meritev je potrdila teorijo delovanja elementa, ki pravi, da so odzivi piezo-uporovnih elementov obiˇcajno 50–100-krat veˇcji od merilnih listiˇcev. Potrdila je tudi ustreznost poti raziskave, saj je izpostavila jasno prednost piezouporovnega senzorja pred obstojeˇcimi merilnimi listiˇci — kljub temu smo merilne listiˇce na konstrukcijo za-lepili znatno laˇzje kot piezouporovne senzorje, saj so ti tanjˇsi in bolj fleksibilni; zaradi te lastnosti so uporabni tudi na ukrivljenih konstrukcijah. S staliˇsˇca pritrjevanja je bil piezouporovni element znatno slabˇsi od merilnih listiˇcev.

Metodologija raziskave

Test razmerja obˇcutljivosti

Te ugotovitve smo potrdili tudi z zanesljivejˇsim eksperimentom; zasnovali smo preprost eksperimentalni sistem, prikazan na sliki 3.6. Profil smo togo vpeli v primeˇz, nato pa nanj preko viliˇcastega kljuˇca vnaˇsali torzijo. Zaradi zagotavljanja enake sile smo nanj obeˇsali uteˇz z znano maso.

Slika 3.6: Eksperiment vnaˇsanja torzijske obremenitve na nosilec.

Ob izvajanju teh eksperimentov smo spremljali predvsem lastnosti senzorja in nje-govo obnaˇsanje. Signal odziva piezouporovnega senzorja je bil znatno veˇcji od me-rilnega listiˇca, kar smo ugotovili ˇze z izvajanjem roˇcnih testov. Pri piezouporovnem elementu smo opazili, da vrednost signala ob stalni obremenitvi zelo poˇcasi pada s ˇ

casom. ˇCasovna konstanta padanja tega signala je bila izredno dolga, zato stacionar-nega stanja nismo dosegli. Obenem se signal ob razbremenitvi ni neposredno ustalil na izhodiˇsˇcni neobremenjeni vrednosti. Tega obnaˇsanja pri merilnem listiˇcu nismo opazili, zato smo sklepali, da je teˇzava v samem piezouporovnem senzorju. Glede na teorijo merilnih listiˇcev smo sklepali, da je lepljenje senzorja na konstrukcijo osrednji vzrok za ta pojav. V primeru, da je plast lepila predebela, lahko pride do lezenja, ki smo ga opisali v teoretiˇcnih osnovah 2.4.2.3. Deformacija konstrukcije se takrat namreˇc ne prenaˇsa na piezouporovni element povsem dosledno.

Osrednji cilj tega eksperimenta je bila doloˇcitev razmerja odziva merilnega listiˇca in piezouporovnega senzorja. Kljub lezenju signala smo to razmerje vendarle doloˇcili.

Meritev smo najprej izvedli 5 s in nato ˇse 60 s po obremenitvi. Moment smo vnaˇsali v sourni in protiurni smeri; tako smo primerjali odziv senzorjev v odvisnosti od smeri vnaˇsanja momenta. Za vsak primer smo meritev ponovili petkrat. Meritev smo izvedli 5 s po vzpostavitvi obremenitve in se tako izognili merjenju prehodnih pojavov. Navor

Metodologija raziskave smo preko roˇcice vnaˇsali na enakem mestu, kljub temu pa se je zaradi spusta uteˇzi vsak zaˇcetek obremenjevanja nekoliko razlikoval. Z zaˇcetkom merjenja 5 s kasneje smo se tem pojavom izognili in dobili ponovljive meritve. V signalu je bil prisoten ˇsum, zato smo za konˇcno meritev izraˇcunali povpreˇcje vrednosti v intervalu petih sekund. Frekvenca zajema signala je znaˇsala 1000 Hz. Pri obremenjevanju z momentom v sourni smeri je bilo razmerje med odzivom merilnega listiˇca in piezoupora enako 1:65; razmerje v protiurni smeri pa je bilo enako1:67. Obe razmerji sta bili znotraj okvira, ki smo ga doloˇcili z roˇcnimi testi. Razlogov za razliko, ki jo povzroˇci smer obremenjevanja, je bilo veˇc. Izpostavimo lahko, da postavitev obremenitve ni bila zagotovljena povsem simetriˇcno; dodatno je na to lahko vplivala ˇse nesimetriˇcna podpora vpetja. Povpreˇcna odziva sta bila v protiurni smeri v primeru merilnega listiˇca veˇcja za 5% in 8% v primeru piezouporovnega elementa. Kljuˇcen vzrok za odstopanje je bila izvedba vpetja v mehanskem sistemu. Izpostaviti je treba ˇse druge dejavnike, ki bi lahko vplivali na odziv senzorja pri posamezni smeri obremenjevanja. V primeru pritrjevanja na ravno povrˇsino je bila kljuˇcna pritrditev na sredino same povrˇsine. Kadar senzor ni bil simetriˇcno prilepljen, je bil zaradi ustvarjene deformacije bolj obˇcutljiv na eno smer obremenjevanja kot na drugo. Dodatno je na to vplivalo tudi odstopanje od kota zasuka, ki bi v idealnem primeru moral znaˇsati 45°. Vsako odstopanje od te idealne pritrditve je v sistem vnaˇsalo nesimetriˇcen odziv. Simetriˇcna pritrditev senzorja je bila torej izpostavljena kot eden izmed kljuˇcnih postopkov, ki moˇcno vpliva na konˇcne meritve. Kljuˇcni problem pri pritrjevanju je predstavljala tudi majhnost samega senzorja, ki je vplivala na teˇzavnost rokovanja in lepljenja. Teh teˇzav pri merilnih listiˇcih ni bilo, saj so ti bili veˇcji, tanjˇsi in bolj fleksibilni, postopek lepljenja pa je bilo na njih laˇzje izvesti.

Eksperimenti so kljub preprostosti prinesli veˇc ugotovitev. Izpostavljene so bile teˇzave pri lepljenju in dejavniki, ki lahko vplivajo na odziv senzorja. Doloˇceno je bilo tudi okvirno razmerje med odzivoma merilnega listiˇca in piezouporovnega elementa. Vse te ugotovitve so bile kljuˇcne za naˇcrtovanje prve verzije integriranega piezouporovnega senzorja, ki je opisana v poglavju 3.4.

Metodologija raziskave Vpliv svetlobe

Svetloba je bila kot vplivni parameter izpostavljena ˇze v teoretiˇcnih osnovah 2.5. Izvedli smo tudi praktiˇcni test, pri katerem smo piezouporovni element odkrili in ga tako izpo-stavili svetlobi. Spremembo signala lahko ob tem vidimo na grafu 3.7. Za referenˇcno meritev smo senzor, zaˇsˇciten pred svetlobo, obremenili z enako uteˇzjo kot v eksperi-mentih v prejˇsnjem poglavju 3.1.2. Na spodnji sliki je vidno, da ima svetloba zelo moˇcan vpliv; ta je lahko enakovreden signalu senzorja ob obremenitvi na torzijo. Njen vpliv je odvisen od obravnavanega merilnega obmoˇcja. V primeru ˇsirokega merilnega obmoˇcja je vpliv svetlobe lahko znotraj dovoljene napake, kljub temu pa ta predstavlja parameter, ki vpliva na odziv senzorja in ga je zato treba nadzorovati. Njen vpliv je odvisen od tega, kako svetloba vpade na posamezen upor piezouporovnega senzorja.

Kadar dobimo zelo neugodno kombinacijo vpadle svetlobe, je vpliv na izhodni signal lahko izredno visok. Zaradi nepredvidljivosti tega vpliva smo v vseh eksperimentih posebno pozornost posvetili zaˇsˇciti elementov pred vpadlo svetlobo.

0 2 4 6 8 10

t/s 0.2

0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

U/mV Sprememba svetlobe

Zunanja obremenitev

Slika 3.7: Primerjava vpliva svetlobe in obremenitve na izhodni signal piezoupora.

Metodologija raziskave

3.2 Eksperimentalni sistem

Snovanje eksperimentalnega sistema je izhajalo iz ugotovitev, do katerih smo priˇsli pri eksperimentih za doloˇcanje osnovnih lastnosti piezouporovnega senzorja 3.1. Zavedali smo se, da bomo lastnosti senzorja spoznavali med izvajanjem dodatnih eksperimen-tov, zato smo ˇzeleli eksperimentalni sistem naˇcrtovati z visoko ravnjo fleksibilnosti.

Priˇcakovali smo namreˇc, da bomo v odvisnosti od rezultatov spreminjali naˇcrte ekspe-rimentov in zato tudi prilagajali eksperimentalni sistem.

Kljuˇcni cilji, ki smo jih z eksperimentalnim sistemom ˇzeleli doseˇci, so bili naslednji:

– znana velikost apliciranega momenta v obeh smereh obremenjevanja, – visoka ponovljivost pri obremenjevanju,

– modularna struktura, pri kateri so mogoˇce spremembe posameznih elementov glede na zahteve eksperimenta.

Osrednji del sistema je mehanski sestav, v katerem se izvaja dejanska meritev. Preko znane roˇcice se obremenjuje toga vpeta gred, na katero so postavljeni piezouporovni senzorji in merilni listiˇci, ki se napajajo iz merilne kartice (ta obenem tudi zajema nji-hov izhodni signal). Ker oboji delujejo po naˇcelu Wheatstonovega mostiˇca, je njihov izhodni signal diferenˇcna napetost. V primerih, ko je bil ta signal zelo majhen, se ga je lahko ojaˇcalo s tiskanino, na katero so bili integrirani diferenˇcni ojaˇcevalniki. Zajeti analogni signal je bil na merilni kartici pretvorjen v digitalnega in poslan v raˇcunalnik, v katerem je bilo nato signal mogoˇce prikazovati in analizirati z enim od programov, ki jih ponuja proizvajalecNational Instruments. Zajem signala je potekal s programskim paketom NI-DAQmx, ki se je lahko nadzoroval na veˇc razliˇcnih naˇcinov. Za teste, opi-sane v poglavju 3.1, smo uporabili zelo preprost prikaz signala, integriran v programu samem — ta ponuja omejene moˇznosti prikaza in zajema signala, zato za nadaljnje teste ni bil primeren. Zaradi enostavne uporabe in visoke ravni fleksibilnosti smo se odloˇcili za uporabo programskega jezika Python, ki smo ga uporabili kot orodje za iz-ris signala in shranjevanje meritev. Obenem je omogoˇcal tudi enostavno integracijo s preostalimi programi in enostavno ga je bilo prilagoditi tudi za drugaˇcne potrebe; za potrebe zajema in prikaza meritev smo izdelali tudi uporabniˇski vmesnik, preko kate-rega smo lahko izvajali celoten proces. Diagram celotne merilne verige je predstavljen na sliki 3.8. Kot dodaten element smo v sistem lahko dodali tudi termoˇclen za merjenje temperature. Celoten sistem je omogoˇcal izvajanje testov tudi v temperaturni komori.

ΔM [Nm]

Slika 3.8: Diagram elementov merilne verige eksperimentalnega sistema.

Eksperimentalni sistem za testiranje senzorjev na merjenje navora je bil zasnovan samo za statiˇcne meritve. V sklopu priˇcujoˇce ˇstudije so bile te pomembnejˇse in so tudi

Metodologija raziskave

zadoˇsˇcale za izvedbo testov za doloˇcitev karakteristik piezouporovnega senzorja. Di-namiˇcnih meritev navora v tej raziskavi nismo izvajali; za prenos signala iz piezouporov-nega senzorja bi namreˇc potrebovali brezˇziˇcno komunikacijo — njena problematika bo na kratko izpostavljena v rezultatih in diskusiji ter predstavlja enega izmed kljuˇcnih iz-zivov, ki sledijo v nadaljnjem razvoju senzorja. Eksperimentalen sistem s pripadajoˇcimi elementi, ki so ˇze bili na kratko predstavljeni, je prikazan na sliki 3.9.

Prikaz na računalniku preko grafičnega vmesnika

Termočlen Merilna kartica za A/D pretvorbo

Vmesnik za priklop vhodnih signalov in napajanje

Mehanski sistem za meritev navora

Obremenitev

Slika 3.9: Prikaz eksperimentalnega sistema.

V nadaljnjih poglavjih so podrobneje opisani posamezni elementi merilnega sistema.

Predstavljen je tudi kratek preraˇcun sistema, ob njem pa ˇse simulacije, kljuˇcne tudi za vrednotenje konˇcnih rezultatov.