Sběr a vyhodnocení dat z MEMS

Cílem úlohy je seznámit se s vybranými typy MEMS akcelerometry, s možnostmi jejich komunikace s okolím a sběrem naměřených dat. Dalším úkolem je měření vybraných bodů frekvenční charakteristiky MEMS akcelerometru.

Zadání

1. Seznamte se s vybranými typy akcelerometrů a způsobem měření s těmito MEMS prvky.
2. Seznamte se se způsobem konfigurace a měření s těmito prvky a podpůrným softwarem potřebným pro vlastní měření.
3. Vyberte 5 frekvencí, pro které provedete vyhodnocení s využitím FFT modulu software SignalAnalyser.
4. Zhodnoťte výsledky měření na MEMS akcelerometrech. Vyjádřete se k volbě frekvenčního rozsahu akcelerometru, vzorkovací frekvenci, apod.

Schéma zapojení

Obr. 1 Blokové schéma zapojení

Teoretický rozbor

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) je označení pro technologii samotnou i její produkty, které jsou její pomocí vyráběny. Jedná se o prvky založené na elektrických a elektro-mechanických mikro systémech křemíkové báze. Pomocí moderních metod se systémy vyrábějí obdobně jako integrované obvody. Za stěžejní produkty této technologie lze považovat především pohybové senzory, jako jsou akcelerometry a gyroskopy. Můžeme se setkat ale i např. s tlakovými senzory, mikro-čerpadly, mikro-pohony atd. (Skýpala, 2013)

V souvislosti s těmito produkty se hovoří o systému na čipu nebo také o inteligentním snímači, jelikož je zde přítomen jak mechanický subsystém (nutný pro transformaci fyzikální podstaty na elektrickou veličinu), tak elektronický subsystém zajišťující následné zpracování.

Dnešní trh nabízí nepřeberné množství MEMS umožňujících měření zrychlení. Počet os (1, 2, 3), rozsah měření (± 2 g, ± 4 g, … ± 70 g, …), vzorkovací frekvence (100 Hz, 200 Hz, …), filtrací měřeného signálu, komunikační rozhraní pro přenos dat (analog, SPI, I2C), možnost triggerování vlastního měření, …, to vše jsou základní technické parametry, kterými se liší jednotlivé MEM systémy zajišťující měření zrychlení. (Jiříček, 2016)

Pro účely tohoto měření byl vybrán akcelerometr s analogovým výstupem, jedná se o trojosý akcelerometr ADXL335. Ten je umístěn přímo na desce obsahující základní obvodové součástky zajišťující jeho funkčnost.

Obr. 2 3-osy akcelerometr ADXL335 (analogový výstup)

Senzor využívá, stejně jako jiné akcelerometry, setrvačnosti hmoty. Měří rozdíl mezi kinetickým zrychlením a gravitačním zrychlením. V dnešní době se stále zlepšuje a zkvalitňuje výroba akcelerometrů, to způsobuje jejich zmenšování a zlevňování. K převádění zrychlení na elektrickou veličinu existuje více možností. Lze využít snímače piezoodporové, elektromechanické, rezonanční, a mnoho dalších. Za nejrozšířenější lze považovat kapacitní snímání, kterým se budeme nadále zabývat. Změnou množství náboje mezi deskami kondenzátoru je definován princip kapacitního snímání. Na obrázku zobrazeném níže lze vidět tříelektrodový vzduchový kondenzátor se střední pohyblivou elektrodou, jejíž poloha je závislá na velikosti působícího napětí. (Skýpala, 2013)

Obr. 3 Princip kapacitního snímače (Skýpala, 2013)

Díky proměnné kapacitě tříelektrodového kondenzátoru se pro převod využívá nelineární závislosti kapacity C na vzdálenosti elektrod kondenzátoru d dle vzorce

kde

C … kapacita
S … plocha elektrod
d … vzdálenost elektrod
ε … permitivita.

Za předpokladu, že je plocha elektrod S a permitivita prostředí ε konstantní, lze usoudit, že závislost výsledné kapacity se odvíjí pouze od velikosti vzduchové mezery mezi elektrodami. (Skýpala, 2013)

Na obr. 4 je znázorněna mechanická struktura akcelerometru, jehož princip vychází ze základní rovnice pro působení síly při zrychlení.

kde

F … síla působící na pohyblivou hmotu
m … hmotnost hmoty
a … zrychlení.

Obr. 4 Mechanická struktura MEMS akcelerometru (Hrách, 2012)

Vzniká síla F působením zrychlení a na hmotu m. Tato síla se přes pružiny převádí na posuv nosníku, jehož některé části tvoří pohyblivé elektrody kondenzátoru. Jejich pozice určuje elektronicky měřenou hodnotu kapacity kondenzátoru.

Struktura nosníku i pružin je s využitím moderních technologií leptána do polykrystalického křemíku. Stále se zlepšující technologie umožňuje postupné protahování pohyblivých elektrod z dřívějších jednotek mikrometrů až na desítky mikrometrů. Díky tomu je možné získat lepší signál, menší vliv zrychlení v jedné ose na osy dalších směrů, ale především změnu velikosti zrychlení. (Vojáček, 2007)

Pro vhodnou volbu akcelerometru je nutné znát základní uváděné parametry. Mezi ně patří: Počet os [-] Akcelerometr může snímat zrychlení v jednou dvou nebo třech směrech, tedy označen jako 1 D, 2 D nebo 3 D. Maximální rozsah [g] Maximální měřitelné zrychlení senzoru se zpravidla udává v jednotkách g (1 g = 9,80665 m/s2) Při překročení maximálního rozsahu je možnost fyzického poškození senzoru. Linearita [v % max. rozsahu] Odchylování se výstupu akcelerometru od ideální lineární závislosti na aplikovaném zrychlení. Citlivost, Šířka pásma [Hz] neboli maximální frekvence změny zrychlení, forma výstupu.

Obvod ADXL335 je plně funkční akcelerometr stačí připojit napájecí napětí a můžeme číst aktuální zrychlení ve třech osách z jednotlivých analogových výstupů snímače. Co se týká citlivosti obvodu, v tomto případě je nastavena výrobcem pevně na hodnotu ±3g. Mezi další vlastnosti tohoto akcelerometru patří nízká spotřeba, která je 350 µA a napájecí napětí v rozmezí 1,8 až 3,6 V.

Pro unifikaci je vytvořená unifikační deska, která normuje I/O signály mezi snímačem a USB 4711A jednotkou. Deska plošného spoje je na následujícím obrázku.

Obr. 5 Unifikační modul se stabilizátorem napětí

Některé typy akcelerometrů např. ADXL346Z jsou schopné komunikovat pomocí SPI a I2C komunikace. Na následujícím obrázku lze vidět, jak probíhá způsob komunikace při čtení z a zápisu do jednotlivých registrů akcelerometru, s využitím právě 4- vodičové SPI komunikace. Vlastní konfigurace a čtení hodnot z těchto typů MEMS je realizována zápisem nebo čtením do/z registrů součástky.

Obr. 6 drátová SPI pro čtení (EVAL-ADXL346Z, 2015)

K záznamu dat je možné využít aplikaci pro jednotku USB 4711A ta umožňuje ukládání všech měřených dat tj. hodnoty ze tří akcelerometrů a průběh budicího signálu. Na první vstup USB 4711A jednotky je přiveden budicí signál. Na následující vstupy jsou přivedeny signály z akcelerometrů v jednotlivých osách. Pro záznam je nutné nastavit jméno souboru a pak jej v průběhu měření nechat ukládat (tlačítko SAVE).

Obr. 7 Aplikace v prostředí Labview určená pro záznam dat

K  následné analýze můžeme využít například program Signal Analyser. Program Signal Analyser je určený ke zpracování naměřených časových záznamů, s využitím různých instrumentů. K znázornění výsledků využívá aplikaci Microsoft Graph, kterou není možné, samostatně spustit. Pro analýzu dat je zapotřebí mít měření s jednotnou vzorkovací frekvencí. (SIGNAL ANALYSER, 2007)

K ovládání programu slouží hlavní nabídka programu a pod ní nástrojový pruh. Pro práci v programu je zapotřebí otevřít si okna Measurement Organiser a Instrument Organiser, ty otevřeme v hlavní nabídce, pomocí kolonky Organiser. Při kliknutí pravým tlačítkem myši v okně Measurement Organiser můžeme pomocí otevřené nabídky a záložky Insert vložit data, která chceme v tomto programu analyzovat. Po vložení dat do programu je důležité zadat vzorkovací frekvenci vložených dat. V okně Instrument Organiser se postupuje podobným způsobem jako u Measurement Organiseru, ale namísto vkládání dat vložíme nástroj který, chceme pro naši analýzu použít. (SIGNAL ANALYSER, 2007)

Obr. 8 Prostředí Signal Analyseru

Zmíněný program Signal Analyzer můžeme využít k vyhodnoceni, konkrétně jednu jeho funkci, a to FFT využívající rychlé Fourierovy transformace. Po provedení této transformace můžete získaná data vykreslit do grafu znázorněného na obrázcích níže, kde můžeme vidět, jaké frekvenční složky se vyskytují ve vytvořených datech.

Obr. 9 Naměřená data pro 20 Hz po provedení FFT

Další možností pro zpracování naměřených dat je využití nástrojů programu EXCEL.

Postup měření

Postup měření lze rozdělit do několika bodů.

1. Zkontrolujte zapojení sestavy modelu dle schématu zapojení.
2. Seznamte se s konfiguraci použitého typu akcelerometru (nastavení rozsahů, vzorkovací frekvence apod.).
3. Nastavte frekvenci vibrací a kontrolujte ji s využitím Aplikace v LabView nebo osciloskopu.
4. S využitím aplikace v PC proveďte testovací měření a jeho záznam.
5. Přepočítejte podle zadaného rozsahu zrychlení.
6. S využitím programu SignalAnalyser určete skutečnou generovanou frekvenci SHAKERU a porovnejte ji s frekvenci změřenou z časového průběhu nebo na osciloskopu.
7. Body 3-6 zopakujte pro 5 frekvencí.
8. V závěru zhodnoťte měření a výsledky.

Tab. 1 Tabulka pro záznam naměřených hodnot

Kontrolní otázky

1. Co je to MEMs?
2. Co je to FFT?
3. Jaká je omezující podmínka mezi frekvenci vzorkováním vzorkovacího a vzorkovaného signálu?
4. Popište I2C a SPI komunikaci.