Specyfikacje inklinometru
Inklinometry, zwane również czujnikami nachylenia, klinometrami lub czujnikami kąta pochylenia, są przeznaczone do pomiaru kąta obiektu względem siły grawitacji. Urządzenia te określają kąt przechyłu i/lub pochylenia i przekazują te wartości przez odpowiedni interfejs elektryczny.
Zasada pomiaru inklinometrów MEMS
Inklinometry mierzą kąt nachylenia obiektu względem siły grawitacji. Odbywa się to za pomocą akcelerometru, który monitoruje wpływ grawitacji na niewielką masę zawieszoną w elastycznej strukturze nośnej. Gdy urządzenie się przechyla, masa ta lekko się przesuwa, powodując zmianę pojemności między masą a strukturą. Kąt nachylenia jest obliczany na podstawie zmierzonych pojemności.
Masa dowodowa z
Elektrody
Sprężyny
Elektrody stałe
Rys. 1: Zasada działania czujnika MEMS
Zasada działania może być zilustrowana uproszczonym modelem z dwiema elektrodami: jedna jest stała, a druga (masa pomiarowa) ruchoma, zawieszona na sprężynach (patrz rys. 1). Gdy inklinometr znajduje się w pozycji poziomej (rys. 2.1), mierzona jest pojemność między elektrodami. Jeśli czujnik zostanie przechylony (rys. 2.2), ruchoma masa wraz z elektrodą zmienia swoje położenie względem elektrody stałej. Zmiana pojemności jest mierzona przez komórkę czujnika i wykorzystywana do obliczenia nowego kąta nachylenia.
Czujnik MEMS w pozycji poziomej
Czujnik MEMS w pozycji nachylonej
Rys. 2: Pozycja czujnika MEMS
Limitations of Static Inclinometers
W przypadku silnych wstrząsów i drgań, fizyczne tłumienie w inklinometrach statycznych może być niewystarczające do eliminacji zakłóceń. Filtry programowe mogą tylko w ograniczonym stopniu zmniejszyć ich wpływ. W statycznych inklinometrach TILTIX można aktywować i skonfigurować filtry „średniej ruchomej” lub „wykładniczej”, aby wygładzić sygnał, ale kosztem utraty szybkiego czasu reakcji czujnika MEMS, co powoduje wolniejszą odpowiedź.
Do ruchów dynamicznych z dużymi przyspieszeniami zaleca się użycie dynamicznych inklinometrów TILTIX firmy POSITAL. Są one oparte na innej technologii, bez tłumienia fizycznego, dzięki czemu nie ma kompromisu między stabilnością a czasem reakcji.
Dynamiczny inklinometr
W aplikacjach, gdzie występują nagłe ruchy, wstrząsy i drgania, kluczowe są czujniki o szybkiej reakcji i czystym sygnale wyjściowym. Dynamiczne inklinometry POSITAL łączą dwa zasady pomiarowe za pomocą dwóch różnych czujników MEMS: 3D akcelerometru i 3D żyroskopu. Akcelerometr nie jest tłumiony (w przeciwieństwie do tych stosowanych w statycznych inklinometrach), dzięki czemu może śledzić dynamiczne ruchy. Żyroskop mierzy prędkości obrotowe w oparciu o zasadę bezwładności. Sygnały z obu czujników są łączone w celu uzyskania pomiaru nachylenia, który całkowicie kompensuje wpływ przyspieszeń. W rezultacie dynamiczne inklinometry TILTIX mogą być niezawodnie stosowane w maszynach mobilnych, takich jak maszyny budowlane, sprzęt górniczy, dźwigi czy aplikacje robotyczne.
Poniższy diagram porównuje wydajność dynamicznego inklinometru z wbudowanym żyroskopem z konwencjonalnym inklinometrem statycznym, gdy oba są narażone na dynamiczne ruchy z silnymi wstrząsami i wibracjami.
Pomiar nachylenia na poruszającej się koparce
Innowacyjny algorytm zapewniający wiarygodne wyniki
W aplikacjach, gdzie występują nagłe ruchy, wstrząsy i drgania, niezbędne są czujniki o szybkiej reakcji i czystym sygnale wyjściowym. Dynamiczne inklinometry POSITAL łączą dwa zasady pomiarowe za pomocą dwóch różnych czujników MEMS: 3D akcelerometru i 3D żyroskopu. Akcelerometr nie jest tłumiony (w przeciwieństwie do wersji stosowanych w inklinometrach statycznych), co pozwala mu śledzić szybkie ruchy dynamiczne. Żyroskop mierzy prędkość obrotową na podstawie zasad bezwładności. Sygnały z obu czujników są łączone w celu uzyskania dokładnego pomiaru kąta nachylenia, z pełną kompensacją wpływu przyspieszeń. W rezultacie, dynamiczne inklinometry TILTIX można niezawodnie stosować w maszynach mobilnych, takich jak sprzęt budowlany, urządzenia górnicze, dźwigi lub aplikacje robotyczne.
Poniższy wykres porównuje wydajność dynamicznego inklinometru z wbudowanym żyroskopem z tradycyjnym inklinometrem statycznym podczas dynamicznych ruchów z silnymi wstrząsami i wibracjami.
Zakres pomiarowy i opcje montażu
Seria inklinometrów TILTIX jest dostępna w dwóch wariantach.
Dwuosiowy
Czujnik dwuosiowy przeznaczony do montażu poziomego. Ta wersja posiada dwa wyjścia – jedno dla osi X, drugie dla osi Y. Każda oś wskazuje kąt nachylenia względem pola grawitacyjnego.
Jednoosiowy
2. Jednoosiowa wersja pomiaru nachylenia przeznaczona do montażu pionowego z wyjściem dla jednej osi.
Dodatkowe funkcje inklinometru dynamicznego
Głównym celem inklinometrów dynamicznych jest dostarczanie ustabilizowanych danych o kącie nachylenia bez potrzeby konfiguracji parametrów czujnika.
Jednak dla modeli z interfejsem CANopen istnieje możliwość oddzielnego przesyłania danych dotyczących sił przyspieszenia (akcelerometr) i prędkości obrotowej (żyroskop) dla każdej z trzech osi.
Pomiary te są przechowywane w mapowalnych obiektach CANopen.
Monitorowanie siły przyspieszenia wzdłuż jednej lub kilku osi może być wykorzystane do implementacji dodatkowych funkcji lub funkcji bezpieczeństwa po stronie kontrolera.
Kontroler może zatrzymać maszynę, gdy zostanie przekroczony określony próg przyspieszenia.
Dzięki dodatkowym informacjom o prędkości obrotowej w osi X można również monitorować obroty poziome (yaw) maszyny.
To do producenta maszyny lub integratora systemu należy decyzja, jak wykorzystać te dodatkowe dane.
Przetwarzanie danych
Wysokowydajny mikrokontroler służy do oceny sygnałów z czujnika w czasie rzeczywistym i obliczenia skorygowanego kąta nachylenia.
Temperatura również jest mierzona i wykorzystywana przez algorytmy kompensacyjne do eliminacji niepożądanych efektów.
Inteligentne filtry cyfrowe zmniejszają szumy i wibracje, zapewniając precyzyjny i stabilny sygnał w każdych warunkach.
Nieliniowości czujników MEMS są identyfikowane na podstawie pomiarów referencyjnych wykonywanych podczas produkcji, a dane kalibracyjne są zapisywane w pamięci czujnika.
Podczas pracy dane te są używane do korekty surowych wartości i wyznaczenia liniowego kąta nachylenia.
Użytkownik może także wprowadzić niestandardowe parametry, takie jak korekcja offsetu (Preset) lub funkcja skalowania (w przypadku sygnałów analogowych).
Wspólne specyfikacje
Czas cyklu czujnika
To wewnętrzny czas aktualizacji sensora. 5 ms oznacza, że pozycja aktualizowana jest co 5 ms.
Czas cyklu interfejsu
To czas, w którym wartość pozycji jest przesyłana przez interfejs. Może być regulowany przez użytkownika.
Dokładność absolutna
Maksymalne odchylenie między pozycją zmierzoną a rzeczywistą w określonym zakresie.
Offset
Nawet przy zerowej pozycji czujnik może pokazać małe odchylenie – to błąd offsetu.
Dokładność dynamiczna
Mierzona jak dokładność absolutna, ale w obecności drgań i przyspieszeń. POSITAL przeprowadza testy w laboratorium.
Warunki testowe:
Przyspieszenie liniowe: 10 m/s² na jednej osi przez 1 s
Drgania: 1–1000 Hz przy sile 1 g
Rozdzielczość: Najmniejszy krok, jaki może wykryć czujnik.
Histereza: Wyjście zależy nie tylko od aktualnego wejścia, ale również od poprzednich. W przypadku inklinometrów oznacza to, że pomiar kąta może się różnić w zależności od kierunku, z którego został osiągnięty.
Gradient temperaturowy: Określa, jak zmienia się wartość kąta wraz ze zmianą temperatury.
Czas ustalania: Czas potrzebny, aby sygnał pozostał w granicach ±5% końcowej wartości.
Produkcja chipów czujników MEMS
Dzięki postępom w produkcji urządzeń MEMS (mikroelektromechanicznych), czujniki te stały się produktami masowymi o doskonałym stosunku wydajności do ceny. Podstawowym elementem pomiarowym w inklinometrach TILTIX jest komórka czujnika MEMS osadzona w całkowicie zamkniętym układzie ASIC.
