Razmerja odzivov senzorjev

Eden izmed kljuˇcnih rezultatov te ˇstudije je bila doloˇcitev razmerij odziva med posame-znimi senzorji. V tem eksperimentu smo uporabili prvotno zasnovani mehanski sistem (slika 3.16), kot tudi njegovo nadgradnjo, pri ˇcemer se na gred lahko aplicira dvojica sil (slika 3.21). Razlog za uporabo obeh sistemov je bilo dvojno preverjanje rezultatov, kot tudi minimizacija napak, ki nastanejo zaradi posamezne mehanske konfiguracije.

Izhodne signale posameznih senzorjev smo normirali na odziv merilnega listiˇca; ta je bil uporabljen kot referenˇcna toˇcka. V tem primeru nismo uporabljali zajema preko uporabniˇskega vmesnika, temveˇc program, napisan v programskem jezikuPython, ki je omogoˇcal izbiro viˇsje frekvence zaznavanja. Frekvenca vzorˇcenja je za te eksperimente znaˇsala 1000 Hz. Pred vsako meritvijo smo najprej zajeli 5 s dolgo ˇcasovno okno si-gnala posameznega senzorja na neobremenjeni konstrukciji. Povpreˇcje teh vrednosti je predstavljalo zaˇcetni odmik signala (angl. offset); te vrednosti so se shranile. Korek-cija merjenega signala z izmerjenim izhodiˇsˇcnim odmikom je omogoˇcila, da so imeli na neobremenjeni gredi vsi senzorji povpreˇcen izhodni signal, enak 0. S tem smo dosegli, da imajo vsi senzorji enako izhodiˇsˇcno vrednost. Obenem smo lahko preko tega spre-mljali spremembe izhodiˇsˇcnega odmika zaradi zunanjih vplivov. Po doloˇcitvi odmika smo konstrukcijo obremenili. Da ne bi zajeli signala prehodnih pojavov, je program poˇcakal 10 s, nato pa zajel izhodni signal senzorjev v ˇcasu 5 s. Iz teh vrednosti je bilo nato izraˇcunano povpreˇcje, ki je tudi predstavljalo konˇcno meritev za posamezno obremenitev. Za vsako meritev smo zapisali tudi trenutno temperaturo konstrukcije, ki smo jo merili s termoˇclenom.

Konstrukcijo smo obremenjevali z uteˇzjo mase 670 g, dolˇzina roˇcice pa je bila 0,2 m;

navor, s katerim smo obremenili gred, je torej znaˇsal 1,31 N m. Obremenjevali smo v sourni in protiurni smeri. V primeru obeh mehanskih konfiguracij smo za posamezno smer obremenjevanja izvedli pet meritev. Za vsako meritev smo izraˇcunali razmerje med signalom senzorja in merilnega listiˇca. Na podlagi petih meritev je bilo izraˇcunano povpreˇcno razmerje, prikazano v tabeli 4.1. Zaradi boljˇse preglednosti so bila razmerja zaokroˇzena na cela ˇstevila. Od leve proti desni so razvrˇsˇceni rezultati senzorjev glede na njihovo razporeditev vzdolˇz posnetja. Skrajno levo sta senzorja, ki sta blizu roˇcice, medtem ko znak (vpetje) oznaˇcuje senzorja blizu vpetja; razmerje se glede na smer obremenjevanja razlikuje predvsem za slednja dva senzorja. Pri klasiˇcno pritrjenem piezouporovnem senzorju blizu vpetja je razlika med posamezno smerjo obremenjevanja enaka 2, vzrok za to pa je bil predvsem v mehanskem sistemu. Vpetje gredi v kotnik

Rezultati in diskusija ni bilo povsem idealno simetriˇcno in zato se je odziv senzorja spreminjal glede na smer obremenjevanja. Dodaten vpliv bi lahko imela tudi poˇsevna pritrditev senzorja, a ta vpliv ni bil prevladujoˇc. V takˇsnem primeru bi bil namreˇc vpliv upogiba znatno veˇcji v eksperimentih vrednotenja upogiba. Vpetje torej ni bilo povsem konzolno, temveˇc je prinaˇsalo doloˇceno spremembo mehanskih napetostih v odvisnosti od smeri obremenjevanja.

Preglednica 4.1: Izmerjena razmerja med merilnimi listiˇci in razliˇcnimi oblikami piezouporovnih senzorjev pri obremenjevanju z navorom.

Navor Piezouporovni

Protiurni 39 11 31 43 10

Meritve, ki smo jih prikazali v tabeli 4.1 smo ponovili na obeh mehanskih konfigura-cijah sistema ˇse ob uporabi razliˇcnih mas. Ob vsaki ponovitvi merjenja smo dodali uteˇz ter tako dobili tri razliˇcne vrednosti obremenitve. Meritve smo izvedli po enakem postopku, kot smo ga opisali za prejˇsnji eksperiment. Nato smo izraˇcunali povpreˇcje dobljenih razmerij. Rezultati so bili izredno podobni tistim v tabeli 4.1 in niso pri-peljali do novih ugotovitev. S tem eksperimentom smo zgolj potrdili, da razmerja ostajajo enaka tudi pri drugaˇcnih obremenitvah. Med izvajanjem eksperimentov se je temperatura v prostoru nekoliko spreminjala; naˇceloma se je spremenila zgolj za 1 °C, vendar je ˇze ta razlika povzroˇcila vidno spremembo zaˇcetnega odmika. Pri posame-znem elementu je bilo to temperaturno lezenje manjˇse od 0,5% odziva pri obremenitvi z navorom 1,31 N m. Iz teoretiˇcnih izhodiˇsˇc je bilo znano, da se elementu ta izhodiˇsˇcni odmik spreminja v odvisnosti od temperature. Ta pojav je bil zato dodatno raziskan s testi, opisanimi v poglavju 4.2. V tem eksperimentu temperatura ni vplivala na konˇcen rezultat. Vrednost signala senzorja v neobremenjenem sistemu se je pred vsako me-ritvijo izmerila in upoˇstevala. Vpliv temperature na celotnem merilnem obmoˇcju je prikazan v poglavju 4.3.

Diskusija

Razmerja, prikazana v tabeli 4.1, so manjˇsa od tistih, ki so bila doloˇcena v poglavju 3.1. Razmerje merilni listiˇc : piezouporovni senzor je bilo namreˇc enako 1 : 66. Glede na te meritve je to razmerje dejansko bliˇzje vrednosti 1 : 45. Rezultati so bili namreˇc zelo podobni za obremenjevanje v vodoravni konfiguraciji in s pomoˇcjo ˇskripcev. Po-membna razlika je bila razliˇcna porazdelitev deformacij med gredjo in nosilcem, ki je bil uporabljen v eksperimentih za doloˇcanje okvirnih lastnosti piezouporovnega senzorja (3.1). Obmoˇcji zaznavanja za merilni listiˇc in piezouporovni senzor nista bili enaki.

Iz tega smo sklepali, da je primerjava razmerij med njima zelo odvisna od pozicije na konstrukciji, kot tudi deformacije, ki jo obˇcutita. Ti rezultati so pokazali, da to razmerje ni univerzalno, temveˇc velja zgolj za to specifiˇcno konstrukcijo. V primeru pritrditve senzorjev na drugo pozicijo ali nekoliko spremenjeno gred bi bilo lahko to razmerje drugaˇcno. Izmerjena razmerja sluˇzijo predvsem za primerjavo med senzorji in dobro ovrednotijo vpliv, ki ga ima integracija piezouporovnega senzorja s tiskanino

Rezultati in diskusija

na konˇcen odziv. Pomembno je torej izpostaviti, da so dobljeni rezultati lahko upo-rabljeni kot smernice v nadaljnjem razvoju merilnika navora. Meritve na zasnovanem mehanskem sistemu so bile bolj nadzorovane, zato bo to razmerje obravnavano v na-daljevanju ˇstudije. V tabeli 4.1 se razmerje za primer integracije senzorja na tiskanino (integriran senzor 1) zmanjˇsa s 45 na 11. Debelina lepila in dodatne plasti torej slabˇse prenesejo mehansko deformacijo na piezouporovni senzor. Dodatno izboljˇsavo prinese integracija tiskanine na piezouporovni senzor (integriran senzor 2). V tem primeru se razmerje odziva zmanjˇsa s 45 na 30. Vzrok za zmanjˇsanje odziva te verzije senzorja smo naˇsli predvsem v dodani tiskanini in zalivki, ki ˇsˇciti ˇzice. Ta dva elementa namreˇc elementu dodajata togost in s tem slabˇsata njegovo odzivnost na mehanske deforma-cije. V nadaljnjem razvoju je torej treba upoˇstevati to ugotovitev in zagotoviti ustrezno ravnovesje med enostavnostjo uporabe in odzivnostjo. Elementu obˇcutljivost namreˇc zmanjˇsujemo z dodajanjem plasti, obenem pa mu hkrati poveˇcujemo uporabnost, saj je njegova montaˇza preprostejˇsa in tudi bolj odporna na zunanje vplive. Tehnologija pritrjevanja je bila razlog za razliko med razmerjema klasiˇcno pritrjenih senzorjev;

predvsem jo je lahko povzroˇcila veˇcja debelina lepila, slabo oˇciˇsˇcena povrˇsina ali pa slabˇsi spoj med konstrukcijo in piezouporovnim elementom. Kot smo ˇze opisali, je sama montaˇza piezoupora zahtevnejˇsa, ko ta ni integriran skupaj s tiskanino. Vsi dosedanji rezultati kaˇzejo, da so konˇcna razmerja odvisna predvsem od porazdelitve deforma-cije, ki se pojavi pod obmoˇcjem senzorja. Dodatno razliko prinese ˇse sama tehnologija pritrjevanja elementa.

Rezultati in diskusija