Брзина и убрзање

преглед сензора и пример конкретне примене

Одсек: Микрорачунарска електроникаПредмет: Мехатроника

Професори: проф. др Љиљана Живановпроф. др Ласло Нађпроф. др Бранислав Боровац

Студент: Предраг Гроздановић - Е10209

Садржај:

1. Брзина и убрзање 3

2. Начини мерења брзине и убрзања 4

3. Карактеристике уређаја за мерење убрзања 5

4. Преглед типова уређаја за мерење убрзања 6 4.1. Капацитивни уређаји за мерење убрзања 6 4.2. Пиезорезистивни уређаји за мерење убрзања 8 4.3. Пиезоелектрични уређаји за мерење убрзања 8 4.4. Термички уређаји за мерење убрзања 9 4.5. Жироскопи 10 4.5.1. Роторски жироскопи 10 4.5.2. Монолитни силицијумски жироскопи 11 4.5.3. Оптички жироскопи 12 4.6. Пиезоелектрични каблови 14

5. Табеларни приказ сензора 16

6. Пример конкретне примене пиезоелектричног кабла 17 6.1. Проблем 17 6.2. Предлог решења 17 6.3. Предлог сензора ког треба користити 18

7. Закључак 20

2

1. Брзина и убрзање

Брзина и убрзање су физичке величине које су уједно и динамичке карактеристике објеката. Брзина може бити линеарна и угаона. Обе величине директно су повезане са позицијом објекта односно, величином и брзином промене те позиције. Брзина представља први извод позиције по времену а убрзање други извод позиције по времену. Познавајући промену позиције објекта у природи, могуће је одредити и поменуте две величине.Израчунавање динамичких карактеристика објеката чија је фреквенција реда величине 1Hz може се извршити помоћу сензора за позиционирање.Међутим, налажење брзине и убрзања помоћу сензора позиције постаје компликованије са порастом фреквенције те је за примену на фреквенцијама мањим од 1kHz сврсисходније користити уређаје за мерење брзине. Уколико је пак потребно извршити мерење при фреквенцијама које су изнад 1kHz тада користимо мераче убрзања - акцелерометре.

Физички принципи мерења убрзања

Акцелерометар приказује релативно убрзање према слободном паду. Ово је еквивалентно инерцијалном убрзању од кога је одузета вредност гравитационог убрзања.

Према томе, акцелерометар, остављен да мирује на површини земље показиваће вредност убрзања од 1g - и то усмерено вертикалном осом на горе. Да би се добило инерцијално убрзање (услед покретања тела) овај гравитациони офсет мора бити одузет. Убрзања се по хоризонталној оси мери директно. Даље, убрзање измерено акцелерометром који се налази на телу које слободно пада под утицајем гравитационе Земљине силе биће једнако нули. Ово међутим важи само за ситуације када тело слободно пада, односно при том паду не наилази на отпор ваздуха - орбитални свемирски бродови итд.

Разлог због којег се појављује гравитациони офсет је Ајнштајнов принцип еквивалентности који говори да су ефекти гравитације и убрзања истоветни.

Убрзање се према SI изражава у раздаљини према квадрату времена (m/ ) или популарно као реални умножак г-силе.

Да би се убрзање добро измерило, потребно је да се одреди локална гравитациона сила према којој се даље калибрише уређај.

3

2. Начини мерења брзине и убрзања

Последњих година је тренд да се брзина и убрзање мере помоћу система сателита за глобално позиционирање (GPS - Global Positioning System) који се налази у Земљиној орбити. Захваљујући изузетној прецизности и резолуцији са којима оперишу сателити и уређаји који се налазе у самом објекту чије се кретање проучава, могуће је врло тачно добити вредност брзине одакле се даље, диференцирањем добијеног резултата лако израчунава и убрзање. Овај начин мерења је добар уколико се ради о већим објектима који прелазе средње и велике раздаљине (авиони, бродови, возови, путнички аутомобили итд.) и у домету су сателита.

Уколико радимо са малим објектима, малим раздаљинама, телима која излазе ван домета сателита или објектима чије кретање не сме бити надзирано и компромитовано комуникационом мрежом (бојна возила, интерконтиненталне балистичке ракете, подморнице итд.), примена сателита није решење. Идеја на којима се заснивају уређаји који треба да раде у овим условима је мерење раздешености у односу на неки референтни објекат, који је обично саставни део сензора.Ипак у неким случајевима, сензори не користе принцип раздешености пошто је могуће добити електрични сигнал директно пропорционалан промени брзине/убрзања објекта којег проучавамо. На овом принципу ради и електромагнетни сензор брзине (слика 1).

Слика 1 - Принцип рада електромагнетног сензора брзине. [4]

Укратко, излазни напон намотаја је директно пропорционалан релативној брзини магнетног језгра које се помера. Највећа могуће брзина коју је могуће одредити

4

овим инструментом зависи највише од улазних компоненти електронског кола за обраду сигнала. Најмања брзина коју је могуће одредити овим инструментом зависи од границе шума коју производи електронска опрема у близини уређаја и могућности да се он филтрира/отклони.

3. Карактеристике уређаја за мерење убрзања

Принципски, уређај за мерење убрзања – акцелерометар се може представити као уређај са једним степеном слободе који има масу (сеизмичку односно инерцијалну), опругу и пригушивач на кога се маса ослања. (слика 2).

Слика 2 – Једно решење акцелерометра са сеизмичком масом, опругом, пригушивачем и оквиром у којем се налази. [5]

Пре употребе, акцелерометар је потребно калибрисати. Добро конструисан, инсталиран и калибрисан акцелерометар треба да има једну лако уочљиву природну (резонантну) фреквенцију и раван фреквентни одзив у којем се могу извршити најтачнија мерења. Како се фреквенција вибрирања мења, излаз верно осликава промену и то без умножавања сигнала у фреквенцијској карактеристици акцелерометра.

5

Слика 3 – Фреквенцијска карактеристика акцелерометра [4]При калибрацији треба одредити неке карактеристике акцелерометра:

1. Осетљивост је однос електричног излаза према механичком улазу. Често се ова вредност представља као волт по јединици убрзања – 1 V/g (g = 9.80665 m/ );

2. Фреквенцијски одзив је излазни сигнал над спектром фреквенција у којима сензор треба да ради;

3. Резонантна фреквенција неамортизованог сензора показује јасно дефинисано одступање које може бити 3-4 децибела више од одзива референтне фреквенције. У критично амортизованим уређајима, резонанција се не може јасно приметити;

4. Ефекат гравитације за сензоре који имају само једносмерну компоненту треба отклонити пре него што почне мерење, односно, сензор треба калибрисати тако да се ефекат гравитације не укључује у резултат мерења;

5. Линеарност акцелерометра треба бити одређена према распону улазних сигнала.

4. Преглед типова уређаја за мерење убрзања (акцелерометара)

Како је област мерења брзине и убрзања од велике важности у праћењу технолошких процеса и машина, тако су настали акцелерометри различитих конструкција. Осим што се разликују по конструкцији, разликују се и по карактеристикама и окружењима у којима могу радити, односно у којима се показују као најадекватнији.

6

Ипак, треба рећи да је основни принцип, по којем раде акцелерометри у овом поглављу, у ствари принцип описан у трећем поглављу – конструкција са опругом,

тегом и пригушивачем тј. Њутнов закон (1).

Разлике међу овим акцелерометрима су у ствари у начину очитавања раздешености инерцијалне масе од почетног положаја.

4.1. Капацитивни акцелерометри

Идеја капацитивних сензора је да мере промене капацитансе односно на прецизном бележењу раздешености инерцијалне (сеизмичке) масе у односу на неки референтни објекат, најчешће сам сензор. Стога се капацитивни сензор убрзања састоји из два дела односно плоче, непокретне (која је најчешће повезана са самим кућиштем) и покретне која је повезана са масом чију раздешеност у односу на референтни положај/тело меримо.

Сваки трансдјусер покрета који може мерити микроскопске помераје под утицајем јаких вибрација или линеарног убрзања може бити део акцелерометра. Знање из мехатронике омогућава нам да један такав трансдјусер препознамо у капацитивним сензорима.

Из поглавља мехатронике која се баве капацитивним сензорима видели смо да се капацитивност мења пропорционално са убрзањем (односно брзином промене положаја масе у односу на референтно тело).

Максимална раздешеност коју је могуће измерити капацитивним акцелерометром ретко достиже 20μm. Стога, тако мала вредност захтева поуздану компензацију сметњи. Ово се најчешће постиже коришћењем диферецијалне технике при чему се целој конструкцији додаје још један кондензатор.

Слика 4 - Капацитивни акцелерометар у коме се маса налази између две плоче. [4]

7

На слици 4 можемо видети једну од конструкција капацитивног кондензатора. Горња и доња плоча су одвојене од масе и налазе се на одстојањима d1 и d2.

Када се маса помери према горњој плочи за неко Δ, промене се и одстојања што утиче на промену капацитивности. Померај Δ је према томе једнак деловању механичке силе исказане преко формуле

(2) [4]

Како температура може утицати на резултат мерења, потребно је пре свега температурно калибрисати сензор на комплетном температурном опсегу унутар којег сензор треба да ради. Такође препоручљиво је да се направе одређене корекције утицаја температуре при обради излазног сигнала.

Капацитивни акцелерометри су једни од најпозуданијих и и најстабилнијих уређаја за мерење убрзања.

4.2. Пиезорезистивни акцелерометри

Пиезорезистивни акцелерометри су уређаји који у себи обједињавају мерне траке и опруге. Наиме, мерне траке мере оптерећење које прави маса која је причвршћена за опругу која је у вези са мерном траком. Истезање може бити директно повезано са одступањем масе од равнотежног положаја а напрезање се преноси преко опруге. Ови уређаји могу радити на фреквенцијама до 13kHz и издржати ударе до 10.000 g ( g = 9.80665 m/s2 ) .

Да бисмо јасније разумели како раде ови сензори, направићемо краћи осврт на начин њихове прозводње. У унутрашњем слоју односно језгру налази се инерцијална маса и еластичне шарке. Маса је причвршћена за шарке које су у вези са мерним тракама. Мерне траке тако бележе кретање око шарки.

Друга два силоконска слоја су основа и поклопац који служе да сачувају унутрашње делове од утицаја споља. При томе, оба поменута дела не ограничавају масу тако да се она може кретати унутар сензора.

Уређај ради тако што инерцијална маса ротира око шарки када се изложи убрзању по осетљивој оси. Шарке омогућавају да маса ротира и тако прави притисак на мерне траке. Како су мерне траке веома кратке чак и мали помераји изазивају велике промене отпорности. Излаз оваквог сензора је директно пропорционалан нивоу убрзања односно вибрације.

8

Слика 5 – Приказ пиезорезистивног акцелерометра. [4]

4.3. Пиезоелектрични акцелерометри

Производе се искључиво од пиезоелектричних материјала - кристала кварца, баријум титаната и олово цирконијум титаната. У последње време, постоји тренд замене баријум титаната олово цирконијум титанатом. О даљем начину фабрикације и разлозима замене баријум титаната, оловом цирконијум титанатом консултовати литературу [3], [4], [5].

Принцип рада ових акцелерометара заснива се на пиезоелектричним особинама материјала од којих се прави, односно да се механичким деловањем на ове материјале производи разлика потенцијала.

Раде на фреквенцијама од 2 kHz до 5kHz. Доста су линеарни, отпорни на шумове и имају широк опсег температуре у којем раде (до 120*С).

4.4. Термички акцелерометри

Акцелерометри на принципу загрејане плоче

Термички акцелерометри се за разлику од до сада поменутих акцелерометара не заснивају само на мерењу раздешености масе у односу на референтну позицију односно објекат већ и на особини преноса топлоте.У овом случају, маса која се загрева постављена је близу хладњака, односно између два хладњака. Простор између је попуњен термо-проводним гасом. Маса се загрева до неке температуре Т1 и уколико нема убрзања, успоставља се равнотежа између масе и хладњака. Количина топлоте која се проводи до хладњака кроз гас је у функцији растојања масе од хладњака.

Слика 6 – Приказ акцелерометра који ради на принципу загрејане плоче. [4]

9

Акцелерометри са загрејаним гасом

Ове акцелерометре развио је МЕМСИК Корпорејшн (MEMSIC Corporation) и они користе загрејани гас као сеизмичку масу. Израђују се на CMOS чипу и могу мерити убрзање односно покрет у две осе. Принцип рада ових сензора заснива се на струјању топлоте. Као што је познато, топлота се може пренети зрачењем, струјањем и провођењем. Струјање може бити природно (узроковано гравитацијом) или вештачко (уз помоћ уређаја који производе силу/кретање које помера топлоту). Конкретно, овај сензор мери интерне промене у преношењу топлоте унутар затвореног гаса. Према томе, инерцијална маса овог сензора је у ствари термички нехомоген гас. Ови сензори су веома опторни на агресивна окружења и могу издржати промене до 50.000 g.

Слика 7 - Акцелерометар на бази загрејаног гаса. [4]

Грејач се налази у средини на силиконском чипу а на једнаким растојањима од њега, на четири различите стране налазе се температурни сензори. Заправо, леви и десни термопарови су у ствари један термопар. Када имамо нулто убрзање, односно дистрибуција температуре је једнака на сва четири температурна сензора, излаз термопарова је нула. Грејач се обично загрева на температуру која је далеко изнад температуре окружења, и она обично износи 200*С.При неком убрзању, мења се температурна дистрибуција гаса те се загрејани део помера према једном од сензора. Пратећи разлику у излазима термопарова лако се утврђује правац на коме делује убрзање и његова промена.

4.5. Жироскопи

Жироскоп после компаса чини најчешће коришћени уређај за навигацију. Његова предност огледа се да у одусуству магнетног поља. Помоћу њега се утврђује

10

правац, затим позиција а индиректно мери убрзање. Жироскоп се другачије назива и чуварем правца.

4.5.1. Роторски жироскопи

Механички жироскоп састоји се од масивног диска који ротира око осе обртања која је повезана на оквир који може ротирати око једне или две осе вешања. У зависности од броја оса обртања жироскоп може бити са једним или два степена слободе у вешању.

Слика 8 – Принцип рада жироскопа [5]

Када точак (ротор) слободно ротира он тежи да очува своју позицију у односу на осу. Уколико платформа жироскопа ротира око улазне осе, жироскоп ће развити моменат око управне (излазне) осе и тако преокренути свој смер обртања око излазне осе.

Слика 9 - Жироскоп [5]

4.5.2. Монолитни силицијумски жироскопи

Због своје специфичне конструкције конвенционални механички жироскопи нису могли постати јефтине компоненте које се могу умањити и укључити у широку употребу.

Како сателитски систем за навигацију није могуће користити изван земљине орбите (односно у свемиру), испод воде и у случајевима када су мале димензије од највеће важности, било је потребно дизајнирати модерне, мале и релативно јефтине жироскопе који могу ући у масовну употребу.Овај циљ достигнут је употребом технологије за израду МЕМС (микро-електро-механичких-система) која је омогућила израду минијатурних жироскопа у којима је ротирајући диск замењен вибрирајућим елементом. Овај начин производње у себи је сублимирао предности израде и развоја у електронској индустрији а уз то, врло лако се достиже ниво масовне производње. Сви вибрирајући жироскопи се заснивају на феномену Кориолисовог убрзања.

11

Кориолис је показао да се обични Њутнов закон инерције може користити и за ротирајући оквир, инерцијалну силу, која делује десно од смера у коме се покреће тело за позитивни смер ротације референтног оквира односно, која делује лево од смера у коме се покреће тело за негативни смер ротације референтног оквира, те да ови ставови морају бити укључени у једначину кретања.

Слика 10 – Кориолисово убрзање [4]

Даље, Кориолисово убрзање се појављује увек када се тело креће линеарно у референтном оквиру који ротира око осе која је управна на правац линеарног кретања. Резултујуће убрзање, које је директно пропорционално обртању јавља се у трећој оси, која је управна на раван коју образују преостале две осе.

У умањеном, жироскопу израђеном коришћењем технологије за производњу МЕМС, ротација је замењена вибрацијом а резултујуће убрзање се може детектовати и повезати са кретањем. Уместо да маса прати кружну трајекторију као код уобичајеног обртања – ротирајући жироскоп; маса се може ослонити и учинити да се помера линеарно.

Слика 11 - Концепт вибрирајућег жироскопа. [4]

4.5.3. Оптички жироскопи

12

Модерни жироскопи за навођење и контролу базирају се на такозваном Сагнаковом ефекту. Сагнаков ефекат описује шта се дешава са светлом, које се у различитим смеровима пропусти кроз оптички прстен који може да ротира око свог средишта. Оптички прстен се описује индексом преламања и полупречником.

Сноп светлости се при уласку у прстенасту структуру, помоћу огледала дели на два снопа која треба да се крећу у супротним смеровима. Снопови се затим воде кроз структуру и при повратку, пролазе кроз тачку у којој улазе у светловод. Ту се, упоређивањем карактеристика ова два снопа одређује интерференција. Целокупна структура, са извором светлости, прстенастим светловодом, огледалима која деле светлост и детектором светлости се назива – Сагнаков интерферометар.

Сагнаков ефекат је према томе феномен, на који наилазимо када заротирамо описану интерферометарску структуру око њене осе.

Слика 12 - Шематски приказ Сагнаковог интерферометра [5]

Идеја се састоји у томе да се упореде интерференције светлости у два случаја. Када структура ротира и када структура мирује. Разлика интерференција је пропорционална угаоној брзини којом структура ротира.

Како прстен може да ротира неком угаоном брзином око свог средишта, време које ће светлости бити потребно да обиђе прстен биће различито и зависиће од тога у ком је смеру пропуштено светло кроз проводник и којом угаоном брзином и у ком смеру ротира прстен. Из овога следи да ће путање које светлост прелази бити различите.

Слика 13 – Путање у оквиру oптичког жироскопа. [4]

Према томе, разлика између путања може се описати једначином

13

(3) [4]

Где је c – брзина светлости, n – индекс преламања а Ω – угаона брзина.

У пракси, оптички жироскопи се израђују са оптичким резонатором или са оптичким намотајем са већим бројем намота.

Оптички резонатор се састоји од оптичке петље коју формира разделник ласерског зрака. Када долазећи зрак има резонантну фреквенцију оптичког прстена, јачина светлости која излази из њега опада.

Слика 14 - Оптички резонатор и оптички жироскоп. [4]

Оптички жироскоп са намотајем се састоји од извора светлости и детектора који су прикључени на оптички разделник. Поларизатор светлости се налази између детектора и и другог разделника како би се осигурало да оба, контра-пропагирајућа зрака путују истом путањом у оптичком намотају. Два зрака се мешају и сударају у детектору који прати промене косинусног интензитета светлости узроковане ротационо-индукованим фазним променама између два зрака. Овај тип оптичког жироскопа је релативно јефтин, мали и осетљив. Поменути жироскоп се користи за мерење углова и закривљења, стабилизацију висине и жиро-компасинг.Главна предност ових жироскопа се огледа у чињеници да раде у веома агресивним окружењима у којима би било тешко или немогуће користити механичке жироскопе.

4.6. Пиезоелектрични каблови

Пиезоелектрични каблови служе за мерење силе али се индиректно могу мерити брзина и убрзање. Када су под притиском, путем пиезоелектричног ефекта,

14

стварају електрични сигнал у свом унутрашњем проводнику. Сензори су дизајнирани тако да буду осетљиви на силе које делују вертикално на њих. Када су добро инсталирани, могу трајати до пет година што их чини и веома исплативим.

Пиезоелектрични кабел може се израдити у две варијанте.Прва врста је пиезоелектрични кабел у чијем средишту се налази проводник а између ње и изолатора односно заштитног слоја, налази се високо-компресовани пиезоелектрични прах. Пречник овако израђеног кабела је око 3mm. Пиезоелектрични кабел се обично на једном крају завари а на другом крају споји са каблом отпорности 50 Ω.

Слике 15а и 15б – Пиезоелектрични кабел са проводником (лево) и пиезоелектрични кабел са полимерским филмом (десно). [4]

Другу врсту одликује коришћење поливинилиденфлуорида (PVDF) – полимерског филма као компоненте за изолацију кабла. Како се поливинилиденфлуорид може направити са пиезоелектричним особинама, тако се од њега може начинити пиезоелектрични кабел. Када силом делујемо на кабел, пиезофилм је под притиском што води стварању електричних напона различитих поларитета на његовој површи.

Пре уградње овог кабела потребно је извршити калибрацију зато што излазни сигнал не зависи само од кабла, већ и од средине у којој се кабел налази. Ови каблови могу детектовати удаљене вибрације малих амплитуда а опет могу издржати и притиске веома великих сила – до 100MPa. Температуре при којима се ови каблови могу користити налазе се у опсегу од -40*C до 125*C.

15

Слике 16а и 16б – Типичан примера уградње пиезоелектричног кабела (лево) и типичан одзив пиезоелектричног кабела (десно). [4]

Због својих особина, ови сензори се употребљавају у различите сврхе. Пиезоелектрични каблове се могу користити за праћење вибрација сечива у моторима млазних авиона, за детекцију инсеката у силосима, надгледање густине саобраћаја, при изради аларма, брава за аутоматско отварање итд.

5.0. Табеларни приказ сензора

Табела 1 - Упоредна табела акцелерометара. [3]Тип акцелерометра Предности Ограничења Типична применаПиезоелектрични

акцелерометриМогу радити на температурама до 700*C;Широк динамички опсег;Широк фреквентни опсег;Веома су отпорни на ударе/шокове;Једноставан дизајн.

Потребно је више пажње при инсталацији и одржавању;Капацитивно оптерећење дугачких каблова резултује повећањем прага шума;Потребно је да користи посебне каблове који призводе мали шум.

Млазни мотори;Високе температуре;Парне цеви;Турбо машине;Парне турбине;Издувници;Кочнице

Пиезорезистивни акцелерометри

Једносмерни одзив;Мали су.

Мања заштита од удара/шокова;Мањи динамички опсег.

Тестирање судара;Тестирање летова.

Капацитивни акцелерометри

Једносмерни одзив;Боља резолуција него код пиезорезистивних акцелерометара.

Фреквентни опсег;Средња резолуција.

Тестирање мостова;Ваздушни јастуци;Аларми.

16

Табела 2 - Типичне карактеристике акцелерометара. [3]Тип Фреквентни

опсегОсетљивост Мерни

опсегДинамички

опсегВеличина /

тежинаПиезоелектрични акцелерометри

0.5 - 50000 Hz 0.1 pC/g – 100 pC/g

0.00001 g – 10000g

~ 110 dB 0.14 – 200+ грама

Пиезорезистивни акцелерометри

0 – 10000 Hz 0.001 – 10 mV/g

0.001 – 100000g

~ 80 dB 1 – 100 грама

Капацитивни акцелерометри

0 – 1000 Hz 10 mV/g – 1 V/g

0.00005 – 1000g

~ 90 dB 10 – 100 грама

6. Пример конкретне примене пиезоелектричног кабела

6.1. Дефиниција проблема

Двадесети век био је век аутомобила и великих гужви и застоја на саобраћајницама. Саобраћајни инжењери урадили су много на пројектовању саобраћајница које ће бити у стању да опслуже возила различитих категорија. Међутим, број возила се из године у годину увећава те класичне методе одређивање густине саобраћаја постају скупе и крајње непрактичне обзиром да данас више није од интереса само фреквенција саобраћаја већ и његов тип. Врло је битно одредити да ли неком саобраћајницом пролазе путничка возила, или тешки камиони или аутобуси.

Како је коришћење електронике најбоља опција за брзо и једноставно решавање проблема, постаје природно да поменутом проблему приступе инжењери електротехнике и понуде решење проблема.

6.2. Предлог решења

Са растућом забринутошћу у вези са повећањем фреквенције саобраћаја и прераним урушавањем путне инфраструктуре узрокованим пре свега транзитирањем камиона, инжењери саобраћаја су почели да трагају за решењима класификације саобраћаја. Конкретно, било је потребно утврдити густину саобраћаја и масу возила која саобраћају како би се саобраћај боље организовао и евентуално преусмеравао.

У почетку су биле коришћене мерне траке које су се уграћивале у плоче, које су се потом постављале на пут. Како су оне биле јако скупе, често се доносила одлука да се купују јефтине а самим тим и мање квалилтетне мерне трака.Стога, су инжењери саобраћаја тражили трансдјусер који може дати информације о фреквенцији саобраћаја и осовинском оптерећењу возила које прелазе преко њих а који ће у исто време бити јефтин, неће захтевати често одржавање и који ће се моћи уградити испод површине асфалта.

17

Обични пиезоелектични каблови се нису показали као добро решење обзиром на слабу униформност коју су пружали, проблеме при уграђивању и одзив који су стварали на хоризонталне силе које нису од важности.

Укратко, за решење овог проблема потребан је флексибилан сензор који ће стварати одзив само на вертикалне силе, бити једнако поларисан и изнад свега тестиран на униформност и после стављања у заштитни оклоп.

Као решење за овакве захтеве намеће се употреба пиезоелектрилних каблова који се израђују са поливинилиденфлуоридом (PVDF) – полимерским филмом као једне од компоненти за изолацију кабла. Поливинилиденфлуорид показује веома велике пиезо-активне особине када је поларисан и знатно је бољи од пиезокерамичких материјала.

Табела 3 - Поређење напонског коефицијента осетљивоти. [3]Пиезо керамика (BaTiO) Пиезо кабал са керамиком

(PZT)Пиезоелектрични кабал са поливинилиденфлуоридом

5 x 10-3 Vm/N 10 x 10-3 Vm/N 216 x 10-3 Vm/n

Сумирано, пиезоелектрични (PVDF) каблови могу се лако уградити у постојећу путну инфраструктуру, имају добру толеранцији према променама температуре које могу бити веома екстремне уколико се ради о површинама које су изложене честим и врло агресивним променама временских прилика, као што је случај са путевима. Пиезоелектрични каблови са поливинилиденфлуоридом дају сигнал који је униформан и може се лако обрадити уз помоћ једноставне електронике. Даље, ови каблови су најосетљивији пиезоелектрични каблови који испуњавају наведене услове проблема и који су релативно јефтини за уградњу и употребу.

Сагледавши све изложене захтеве, опредељивање за пиезоелектричне (PVDF) каблове намеће се као логично и најисплативије. У корист овог закључка иде и чињеница да је до сада, широм САД, успешно инсталирано већ 600 оваквих сензора. Њихови резултати показују да ће коришћење ових сензора бити исплативо и да ће у потпуности изаћи у сусрет свим захтевима саобраћајних инжењера.

6.3. Предлог сензора кога треба користити

Као предлог конкретног сензора који може да се користи за сврху одрећивања густине, фреквенције и типа саобраћаја користити пиезоелектрични кабел компаније Кинар (Kynar®) – обзиром да није било могуће пронаћи друге произвођаче. Дизајниран је као и сваки други коаксијални кабел. Због свог специфичног коаксијалног дизајна кабал је заштићен од елекотромагнетских

18

сметњи. Веома је робустан и може издржати велика оптерећења (нпр. камионе) а идеални су за „надгледање“ великих површина.

Нуде се две врсте пиезо каблова, кополимерни и спирални. У кополимерној изведби, специјална верзија пиезо материјала упресована је директно у кабал а потом поларизована. У спиралној изведби, поливинилиденфлуоридни филм је обмотан око унутрашњег проводника – обично бакарне жице. Кополимер је много скупљи као сировина и доступан је само у ограниченим количинима. Ипак, погрешно је закључити да ће кополимер у будућности бити тежи за набавку због тренутног ограничења у количинама обзиром да се технологија израде кополимера убрзано развија.

Слике 17а и 17б – Кополимерски кабел (лево) и кабел са спирално увијеним пиезо филмом. [1]

Особине:

- пасиван и дугачак сензор;- флексибилан, робустан и водоотпоран;- температурна стабилност до 85*C;- самозаштићена коаксијална конструкција;- високонапонски одзив;- мала импеданса по јединици дужине;- могуће их је поправљати на лицу места;- поједностављене интерконекције између каблова.

Табела 4 – Напонски коефицијенти осетљивости и пиезо коефицијенти наелектрисања [3]

Типичне особине Јединице Спирални КополимерскиПречник mm 2.69 2.72

19

Капацитанса на 1kHz pF/m 950 655

Тежина Kg/km 14.5 15.5

Хидростатички пиезо коефицијент

pC/N 20 15

Хидростатички пиезо коефицијент

Vm/N 150 x 10^-3

Слика 18 - Однос осетљивости и оптерећења [1] Слика 19 - Амплитуде према притиску [1]

У додатку је приложено типично коло за пиезоелектрични кабал дужине 100 метара, који треба да бележи притиске узроковане великим силама (које могу проузроковати камиони) које одликују мале фреквенције (од 0.1 до 10 Hz).

Слика 20 - Типично сензорско коло. [1]

7. Закључак

Узимајући у обзир све чињенице до сада наведене, као и статистичке податке који су изложени у раду, може се са сигурношћу тврдити да ће пиезоелектрични

20

каблови, као врсте сензора за мерење брзине и убрзања, бити све масовније коришћени.

Корист коју је могуће добити коришћењем ових сензора огледа се највише у чињеници да ће саобраћај бити интелигентније устројен и да бисмо саобраћајем могли да управљамо и дугорочно га планирамо. Даље спрезањем оваквог система са системом за светлосно сигнализирање на саобраћајницама могао би бити један од начина да се саобраћајне гужве у великим градовима умање или чак у потпуности избегну.

Спектар проблема који ће ови сензори бити у могућности да реше моћићемо да увидимо тек након што се почне са њиховом масовном употребом.

Литература:

1. Piezo cabel specification by Kynar® manufacturer – Measurement specialties – October 2008;

2. Rigobert Opitz / Joe Call – A piezo polymer solution for low cost traffic sensors – Rigobert Opitz Consulting & Engineering – 14.01.2005. – www.opitz-consult.de;

3. Sensor technology handbook; Jon S. Wilson – Newnes 2005;

4. Handbook of modern sensors (physics, designs and applications); Jacob Fraden – Springer 2003.

5. Wikipedia – www.wikipedia.org

21