Etalonarea traductoarelor digitale de accelerație

Vlad Marius, st. drd. ing. U.T.C.B.

Abstract: Foarte pe scurt despre etalonare. Prezentarea dispozitivelor folosite pentru etalonarea traductorului

de accelerație. Lanțurile de măsură cu ajutorul masei de etalonare. Traductorul de accelerație digital, montajul

și citirea în comparație cu traductorul analogic. Observarea și etalonarea prin două metode duce la o acuratețe

a sensibilități și creșterea analizei de înțelegere a vibrațiilor mecanice.

1.Introducere

Această lucrare reprezintă o trecere în revistă a unor scheme de lanțuri de măsurare și metode

de măsurare. Am avut în vedere metode actuale de măsurare dar și comparația cu un sistem de măsură

clasic, la care s-a adăugat succinta trecere în revistă a accelerometrelor. În care se evidențiează

necesitatea cunoașterii de modele a unor lanțuri de măsură.

Astfel conform sursa: DLRLC (1955-1957 ETALONÁRE, etalonări, s. f. Acțiunea de a

etalona și rezultatul ei; determinarea experimentală a corecțiilor ce trebuie aduse unui instrument de

măsură pentru a obține valoarea reală a mărimii de măsurat.

În natură nu există fenomene izolate. Totdeauna, simultan fenomenul investigat se desfăşoară

un număr apreciabil de fenomene cu care acesta are relaţii şi influenţe reciproce. În vederea cercetării

fenomenului respectiv, primul demers care trebuie înfăptuit este a delimita aria investigată, de a

elimina influenţele parazite, nesemnificative pentru scopul propus. Aceasta implică de fapt emiterea

unor ipoteze, elaborarea unor scheme sau conceperea de modele ale fenomenului în cauză.

1.1. Principiile de etalonare folosite

Este folosită o metodă de etalonare absolută a traductorului, prin care se imprimă acestora o

mișcare vibratorie cunoscută și se măsoară semnalul de ieșire. Mișcarea este produsă cu ajutorul unei

mese de etalonare. În forma cea mai simplă, masa vibratoare este alimentată direct la curent de la

baterii, producând o mișcare armoninică de frecvență unică și amplitudine dată, indicate de

producător. Se folosește la etalonări pe teren, puritatea armonică a mișcării nefiind todeanuna

asigurată.

1.2. Elemente de etalonarea traductorilor

Etalonarea aparatelor folosite la măsurarea vibrațiilor constă în determinarea relației între

mărimea de ieșire și mărimea de intrare (deplasare, viteză, accelerație, forță, cuplu etc.). În general,

raportul acestor mărimi poartă numele de factor de etalonare sau, mai des utilizat, mai ales în cazul

traductorilor – sensibilitate.

Complexitatea operației de etalonare depinde printer altele de copul urmărit, de condițiile în

care se fac măsurătorile, de aparatura disponibilă. Etalonarea pe teren se face de obicei la o singură

frecvență și pentru întregul lanț de măsură. În laborator,ea se poate face pentru fiecare apparat în parte

sau pentru sistemul de măsură în întregime. [masurea vibratiilor, Buzdugan]

1.3. Etalonarea cu ajutorul mesei de etalon

Lanțul de măsurare este compus dintr-o masă de etalonare, un traductor (senzor) cu cablu și

o punte accelerometrică (partea analogică).

Masa de etalonare trebuie să genereze o mișcare vibratorie armonică, cu accelerație riguros

constantă 𝑎 = 10𝑚𝑠−2. Deoarece diferitele tipuri de traductori au mase diferite, adăugarea

(montarea) fiecărui traductor pe axul mobil al masei de etalonare va produce o modificare a

accelerației de vibrație.

2. Echipamentul folosit

Traductorul analogic folosit a fost de tipul KD35 Fig.1. având următoarele caracteristici:

- sensivitate în tensiune , 𝐵𝑎(125𝐻𝑧) = 4.91 𝑚𝑉/𝑚𝑠−2

- capacitate cu un cablu de 1,5 m 𝐶𝑖 = 1,16 𝑛𝑓

Dacă s-ar fi folisit unul sau mai multe cabluti suplimentare de legătura înseriate atunci sensibilitatea în

tensiune ar fi trebuit recalculate cu formula: 𝐵𝑎′ = 𝐵𝑎

𝐶𝑖

𝐶𝑖+𝐶𝑠 unde 𝐶𝑠 este capacitatea cablurilor

suplimentare.

Fig.1 Fotografie traductoru de accelerație KD35

Fig.2 Fotografie lanț de măsură cu ajutorul mesei de etalonare și punte accelerometrică

În Fig.2. Reprezintă : 1- masa de etalonare(11032); 2- accelerometru analogic KD35; 3- punte

accelerometrică (VM6).

Senzorii digitali pentru care s-a optat sunt accelerometre ADXL 345 Breakout. Menționez că aceste

dispozitive mi-au fost puse la dispoziție în urma stabilirii specificațiilor proiectului, acestea fiind,suficiente

pentru atingerea obiectivelor propuse, urmând ca ulterior să existe opțiunea înlocuirii lor cu unele mai

performante. Acești senzori oferă game de valori suficient de largi pentru aplicație și potrivite pentru tipul

de proiect ce implică măsurarea vibrațiilor mecanice.

ADXL 345 Breakout este un accelerometru de tip MEMS Fig.3 (cu structura ca ceea din figura 3 după

[6]), digital, căruia în poate fi schimbată gama de măsurare (permite măsurători ±2 g, ±4 g, ±8 g, ±16 g),

acest lucru permițând folosirea lui în aplicații din cele mai diverse (navigație, instrumentație

industrială,aplicații medicale).

Fig.3 Detaliu structură accelerometru MEMS

ADXL 345 Breakout [Fig.4] este un echipament de înaltă precizie și calitate ridicată, dar și consum mic

de putere. Fiind un accelerometru digital ce măsoară accelerația pe toate cele 3 axe (X, Y, Z), de mici

dimensiuni (3 x 4 x 1 mm), are o rezoluție fixă de 10 biți cu posibilitatea de extindere până la 13 biți în cazul

în care se utilizează gama de măsurare de ±16 g. Un aspect important care a dus la alegere sa este și folosirea

de către acesta a magistralei de comunicație I2C, dar și SPI. Ieșirea pe care acest dispozitiv o oferă este una

pe 2 octeți complementari. Echipamentul dispune și de funcționalități speciale cum ar fi detecția prezenței

sau lipsa mișcării, prin compararea accelerației citite cu un prag setat de utilizator. De asemenea, este capabil

să detecteze lovituri simple sau duble (“taps”), precum și căderi în gol. Toate acestea pot fi configurate cu

ajutorul pinilor de întrerupere de care dispune senzorul.[5]

Fig.4 ADXL 345 Breakout

Pentru o bună conectare a senzorului la microcontroler, pini ce trebuie utilizați sunt,în cazul de față:

– – conexiune la tensiune alimentare (3.3V);

GND – – date seriale - conexiune la pin analog microcontroler;

– ceas de comunicație serială - conexiunea la pin analog microcontroler.

Conexiunile utile pentru stabilirea comunicației cu microcontroler-ul sunt reprezentate în schema Fig.

după [5].

Fig.5 Conectare ADXL345 Breakout la microcontroler

Microcontroler

Multitudinea de tipuri de microcontrolere face grea alegere unuia care să sepotrivească aplicației. În cazul

de față s-a optat pentru unul din gama Arduino, și anume Arduino Mega2560 Fig.6. Argumentul principal ar

fi ușurința de folosire a protocolului I2C cu Arduino (dispune de librăria Wire.h). Pe lângă acest lucru,

Arduino oferă:cost și dimensiune reduse; un software open-source ; comunicație prin USB; suficienți pini

digitali și analogici ; interfață I2C și SPI; pini PWM; comunitate largă de utilizatori și aplicații.

Fig.6. Microcontroler Arduino Mega2560

3. Studiul de caz

Pornind de la schema lanțului de etalonare cu ajutorul mesei de etalonat clasice se atașează la

aceași masă de etalonare atât accelerometru analogic KD35 și accelerometrul ADXL 345 digital ca

în Fig.7.

Fig.7 Masa de etalonat cu accelerometru ADXL345 și KD35

Se face precizarea că în cazul accelerometrului analogic citirea se face cu ajutorul plăci de

sunet folosind portul microfonului ca un canal de citire. Astfel reprezentarea armonicei generate este

reprezentată grafi în Fig.8.

Fig.8 Program de citire a intrari de microfon analogic

În urma testelor efectuate au rezultat valori approximative între cele două modalității de

măsurare analogic și digital. Datele obținute de la accelerometrul digital se pot supune unor

compensări realizate direct în linia de cod a programului microcontrolului oricărei axe se dorește.

Etalonarea și calibrarea traductorului digital folosind în comparație și etalonarea traductorului

analogic conduce la o creștere a analizei vibrațiilor mecanice generate de o masa etalon.

Astfel lanțul de măsură fiind calibrat și etalonat se pot efectua multitudini de aplicații ale

măsurătorilor de vibrații folosind costuri scazute la o calitate acceptabilă.

Bibliografie:

[1] Atif M, Serdaroglu S. 2011 A measurement system for human movement analysis.Chalmers University of Technology, Sweden

[2] Brüel &Kjaer Human vibrations, Brüel & Kjaer Sound and Vibrations Measurement, 2003;

[3] Brüel &Kjaer Instructions and Applications , Accelerometers ,1972

[4] Gheorghe Buzdugan, ș.a. Măsurarea vibrațiilor, Editura Academiei Republicii Socialiste

Romania 1979

[5] www.adafruit.com/product/1231 ADXL345 - Triple-Axis Accelerometer (+-2g/4g/8g/16g) w/ I2C/SPI

[6] www.sparkfun.com/tutorials/240 ADXL345Breakout Tutorial.