Jeg er i ferd med å lage en quadcopter. På dette punktet fant jeg et problem med MPU-6050 vinkelberegning. Når quadcopter er stasjonær med motorer i off-state og jeg vinkler det, er vinkelavlesning på alle 3 akse bra, men når motorene er i på tilstanden, begynner lesingen å hoppe over hele stedet og kan til og med avvike fra reell verdi med 20 grader. Jeg antar at denne effekten skyldes mekaniske vibrasjoner forårsaket av motorer. Jeg inkluderer bilder av MPU-6050 bordmontering og en grafer av vinkelavlesning av MPU-6050 i X-akse ved hjelp av Kalman-filter, komplementært filter og MPU-6050 DMP (Kalman og komplementære filterimplementasjoner samt behandlingskode for grafer er fra Kristian Lauszus GitHub, DMP brukt med Jeff Rowberg I2Cdev bibliotek). Jeg koblet andre MPU til annen mikrokontroller, så den ville ikke bli koblet elektrisk med en quadcopter og montert MPU om bord med to svamper fra begge sider av MPU. Resultatene var stort sett de samme. Så nå vet jeg virkelig at støy (minst størstedelen av støy) ikke er relatert til elektrisk bryterstøy fra motorer. Vibrasjoner var grunnen til at jeg ga opp quadcopterprosjektet mitt for et år siden. Men problemet er løst, bare ekstremt irriterende å jobbe med. Jeg antar at du kombinerer akselerometer og gyro-data (både Kalman og Comp. - filtre er sensorfusjonsalgoritmer). kan du prøve å justere verdiene slik at gyro har mye høyere kvotering til resultatet, og akselerometeret justerer bare gyro drift. Du kan også prøve å lavpassfilter (i programvare) vinklene. Og mekaniske løsninger (nylonavstandsstykker, bedre ramme etc.) hjelper også. ndash Mishony May 17 16 at 13:12 I tilfelle av MPU DMP programmering brukte jeg Jeff39s Arduino eksempel skisse, jeg endret bare FIFO-hastighet fra 100 Hz til 25 Hz fordi FIFO overflødte mye. I tilfelle av Kristian filter implementering: sample rate er 1 kHz FSYNC deaktivert og innstilt 260 Hz Akkumulering, 256 Hz Gyrofiltrering, 8 KHz samplingsgyro Fullskalaområde er 177250degs akselerometer Fullskalaområde er 1772g PLL sett med X-akse gyroskop referanse deaktivert hvilemodus. Sort rett linje representerer 0 grader. Kalman filterlinje er også svart, det er vanskelig å se fordi Kalman-verdiene er nær komplementære filter. ndash Martynas Janknas 17. mai kl. 17:07 Pass på at høyspenningskretsen som driver dine ESCer, deler en felles bakke med lavt strømkrets fra mikrokontrolleren. Jeg fant dette til å være svært viktig når jeg bygget min quad, da det også forårsaket noen feil med de andre systemene som RxTx. svarte 24. mai kl 16:34 Jeg har utviklet en tricopterflykontrollen, jeg har også hatt problemer med vibrasjoner, så den eneste måten å dele med den er å starte fra begynnelse og balansere motorer, propellere, osv., bare da bør du være fint å gå. Hvis du kjøper en flygeleder vil du se at det ikke fungerer riktig med maskinvaren din, med mindre du balanserer alt. Du må også filtrere resultatene fra avlesninger fra gyroskopet. Jeg har brukt et glidende gjennomsnittsfilter med gode resultater . Her kan du se noen test og flyemaskinen. Lykke til med prosjektet. Vibrasjonsmåling Vibrasjon kan anses å være en oscillasjon eller repeterende bevegelse av et objekt rundt en likevektsposisjon. Likevektsposisjonen er posisjonen objektet vil oppnå når kraften som virker på den, er null. Vibrasjoner oppstår vanligvis på grunn av de dynamiske effektene av produksjonsstoleranser, klaring, rulling og gnidekontakt mellom maskindeler og utbalansekrefter i roterende og fremdrivende elementer. Ofte kan små ubetydelige vibrasjoner spenne resonansfrekvensene til noen andre strukturelle deler og forsterkes til store vibrasjoner og støykilder. Noen ganger er det nødvendig med mekanisk vibrasjon. For eksempel genererer vi vibrasjon med vilje i komponentmatere, betong komprimatorer, ultralydsrengjøringsbadekar, bergborer og bunkeførere. Vibrasjonsprøvingsmaskiner brukes i stor grad til å gi et kontrollert nivå av vibrasjonsenergi til produkter og underenheter der det kreves å undersøke deres fysiske eller funksjonelle respons og sikre deres motstand mot vibrasjonsmiljøer. Hva er vibrasjoner Vibrerende kropp beskriver en oscillerende bevegelse om en referanseposisjon. Antall ganger en komplett bevegelsessyklus foregår i løpet av ett sekund, kalles frekvensen og måles i hertz (Hz). Bevegelsen kan bestå av en enkelt komponent som forekommer i en enkelt frekvens, som med en stemmegaffel, eller av flere komponenter som forekommer i forskjellige frekvenser samtidig, som for eksempel med stempelbevegelsen til en forbrenningsmotor. På bildet nedenfor kan vi se bevegelsen til en tuningsgaffel. En tuningsgaffel er en akustisk resonator i form av en tokantet gaffel. Den resonerer ved en bestemt konstant tonehøyde når den settes vibrerende ved å slå den mot en overflate eller med en gjenstand og avgir en ren musikalsk tone. Signal fra tuning av gaffelen i DEWESoft opptaker. På bildet nedenfor kan vi se bevegelse av stempelbevegelse, som finnes i forbrenningsmotorer. Signal fra stempelbevegelse i DEWESoft-opptaker. Vibrasjonssignaler i praksis består vanligvis av mange frekvenser som oppstår samtidig slik at vi ikke umiddelbart kan se bare ved å se på amplitude-tidsmønsteret, hvor mange komponenter det er og i hvilke frekvenser de oppstår. Disse komponentene kan avsløres ved å plotte vibrasjonsamplitud mot frekvens. Nedbrytning av vibrasjonssignaler i enkelte frekvenskomponenter kalles frekvensanalyse, en teknikk som kan betraktes som hjørnesteinen i en diagnostisk vibrasjonsmåling. Grafen som viser vibrasjonsnivået som en funksjon av frekvens kalles et frekvensspekter. Når frekvensanalysatorvibrasjoner finner vi normalt en rekke prominente periodiske frekvenskomponenter som er direkte relatert til de grunnleggende bevegelsene til ulike deler av maskinen. Med frekvensanalyse er vi derfor i stand til å spore opp kilden til uønsket vibrasjon. Enkelt og flere komponenter Maskinvibrasjon De fleste av oss er kjent med vibrasjon, en vibrerende gjenstand beveger seg - oscillerer. Det finnes ulike måter vi kan fortelle at noe er vibrerende. Vi kan berøre et vibrerende objekt og føle vibrasjonen. Vi kan også se bevegelse av et vibrerende objekt. Noen ganger gir vibrasjonene lyder som vi kan høre eller varme som vi kan fornemme. Maskinvibrasjon er ganske enkelt frem og tilbake bevegelse av maskiner eller maskinkomponenter. Enhver komponent som beveger seg frem og tilbake eller oscillerer, er vibrerende. Maskinvibrasjon kan ta forskjellige former. En maskinkomponent kan vibrere over store eller små avstander, raskt eller sakte, og med eller uten merkbar lyd eller varme. Maskinvibrasjon kan ofte være bevisst utformet og har så et funksjonelt formål. På andre tidspunkter kan maskinvibrasjon være utilsiktet og føre til maskinskade. Her er noen eksempler på uønsket maskinvibrasjon. Hva som forårsaker maskinvibrasjon Nesten all maskinvibrasjon skyldes en eller flere av disse årsakene: gjentatte krefter - De fleste maskinvibrasjoner skyldes gjentatte krefter som de som forårsaker båten å stenge. Gjentatte krefter som disse virker på maskinens komponenter og forårsaker at maskinen vibrerer. løshet - Løshet av maskindeler fører til at maskinen vibrerer. Hvis deler blir løs, kan vibrasjon, som normalt er av tolerable nivåer, bli uhemmet og overdreven. resonans - Maskiner har sine naturlige svingninger. Vibrasjonsårsak Vibrasjonsnivå Vibrasjonsamplitud er karakteristikken som beskriver svingningen av vibrasjoner og kan kvantifiseres på flere måter. På diagrammet er forholdet mellom topp-til-toppnivå, toppnivå, gjennomsnittsnivå og RMS-nivå for en sinusbølge vist. Topp-til-toppverdien indikerer maksimal utflytning av bølgen, en nyttig mengde hvor for eksempel vibrasjonsforskyvningen av en maskindel er kritisk for maksimal spenning eller mekanisk frigjøringshensyn. Toppverdien er spesielt verdifull for å indikere nivået av kortvarige sjokk osv. Men som det fremgår av tegningen, angir toppverdier bare hvilket maksimumsnivå som har skjedd og tidshistorien til bølgen er ikke tatt i betraktning. Den korrigerte gjennomsnittsverdien på den annen side tar hensyn til bølgenes tidshistorie, men anses å være av begrenset praktisk interesse fordi den ikke har direkte forhold til noen nyttig fysisk mengde. RMS-verdien er det mest relevante målepunktet for amplitude fordi det både tar hensyn til tidshistorien til bølgen og gir en amplitudeverdi som er direkte relatert til energiinnholdet, og dermed vibrasjons destruktive evner. Parametre Vibrasjonsparametre Når vi så på vibreringsstøtegaffelen, betraktet vi bølgens amplitude som den fysiske forskyvningen av gaffelen endes til hver side av hvileposisjonen. I tillegg til forskyvning, kan vi også beskrive gaffelbenets bevegelse med hensyn til dens hastighet og akselerasjon. Vibrasjonens form og periode forblir det samme om det er forskyvning, hastighet eller akselerasjon som vurderes. Hovedforskjellen er at det er en faseforskjell mellom amplitude-tidskurverne for de tre parametrene som vist på tegningen. Hastigheten er i 90 fase med forskyvning, og akselerasjonen er i 180 fase med forskyvning. For sinusformede signaler er forskyvning, hastighet og akselerasjonsamplituder relatert matematisk med en funksjon av frekvens og tid, dette er vist grafisk i diagrammet. Hvis fase forsømmes, slik det alltid er tilfelle når man gjør tidsmiddelmålinger, kan hastighetsnivået oppnås ved å dele akselerasjonssignalet med en faktor proporsjonal med frekvensen, og forskyvningen kan oppnås ved å dele akselerasjonssignalet med en faktor proporsjonal med kvadratet av frekvensen. Ved å detektere vibrasjonsakselerasjon er vi ikke bundet til en parameter alene. Med elektroniske integratorer kan vi konvertere akselerasjonssignalet til hastighet og forskyvning. Vibrasjonsparametrene er nesten universelt målt i metriske enheter i samsvar med ISO-kravene. Gravitasjonskonstanten g er fortsatt mye brukt for akselerasjonsnivåer, selv om den er utenfor ISO-systemet for sammenhengende enheter. Når en enkelt, bred frekvensbåndsvibrasjonsmåling er utført, er valget av parametere viktig hvis signalet har komponenter ved mange frekvenser. Måling av forskyvning vil gi lavfrekvenskomponenter mest vekt og omvendt akselerasjonsmålinger vil vektere nivået mot høyfrekvente komponentene. Erfaring har vist at den totale RMS-verdien av vibrasjonshastigheten målt i området 10 til 1000 Hz gir den beste indikasjonen for vibrasjonsgraden. En sannsynlig forklaring er at et gitt hastighetsnivå tilsvarer et gitt energinivå, slik at vibrasjon ved lave og høye frekvenser er likevekt fra vibrasjonsenergiens synspunkt. I praksis har mange maskiner et relativt flatt hastighetsspekter. Dette fører oss til en praktisk vurdering som kan påvirke valget av parametere. Det er fordelaktig å velge parametrene som gir det flateste frekvensspekteret for å fullt ut utnytte det dynamiske området (forskjellen mellom de minste og største verdiene som kan måles) av instrumentasjonen. Av denne grunn velges hastighets - eller akselerasjonsparametrene normalt for frekvensanalyseformål. Fordi akselerasjonsmålinger vektes mot høyfrekvente vibrasjonskomponenter, pleier disse parametrene å bli brukt der frekvensområdet av interesse dekker høye frekvenser. Naturen til mekaniske systemer er slik at vesentlige forskyvninger bare forekommer ved lave frekvenser, derfor er forskyvningsmålinger av begrenset verdi i den generelle studien av mekanisk vibrasjon. Når det blir vurdert små avstander mellom maskinelementer, er vibrasjonsforskyvning selvsagt en viktig overveielse. Forskyvning brukes ofte som indikator for ubalanse i roterende maskindeler fordi relativt store forskyvninger vanligvis forekommer ved akselrotasjonsfrekvensen, hvilket også er frekvensen av størst interesse for balanseringsformål. Hva er akselerasjon og hva er en akselerometer Akselerasjon er hastigheten der hastigheten på en gjenstand endres i forhold til tiden (det er derivatet av hastighetsvektoren som en funksjon av tiden en dvdt). Det er nettoresultatet av alle krefter som virker på et objekt. Generelt har vi to grunnleggende måleoppgaver for akselerasjon: akselerasjon som følge av vibrasjon av objektet under testakselerasjon som følge av endring av hastigheten til objektet, som et kjøretøy (bil, fly). Det er stor forskjell i utfører disse to måleoppgaver. Den viktigste informasjonen ved måling av vibrasjonsakselerasjon er den dynamiske delen av signalet (objektet beveger seg ikke). Ved måling av sving eller akselerasjonstryking av kjøretøyet, er det viktigste resultatet den statiske delen av signalet som resulterer i hastighetsendring. Derfor må sensorer for måling av bytte av kjøretøybevegelse ha mulighet til å måle statisk akselerasjon (som tyngdekraften) mens sensorer for måling av vibrasjoner vanligvis har den statiske delen fjernet fra resultatene allerede av sensordesign. Det er også viktig å vite da hastigheten er avledet av forskyvning (v dsdt), vi kan også måle akselerasjon ved måling av hastighet og utlede signalet eller ved å måle forskyvning og dobbel derivasjon. Dette er et praktisk tilfelle når du måler overflateforskyvning ved hjelp av laser - eller virvelstrømssonder. Det er også svært vanlig å også bruke akselerasjonsmåling for å måle hastighet og forskyvning. Integrasjonsprinsippene er forskjellige. Når en kjøretøy integreres, vil den statiske akselerasjonen føre til hastighetsendring (og forskyvning). Vi må vite at da akselerasjonsmålingene har feil, vil resultatet bli en drift i fart og avstand. Disse driftene bestemmes av en kvalitet av akselerasjonssensorer. Med veldig gode sensorer kan ubåtene for eksempel løpe i uker og beregne fortsatt sin korrekte plassering, men i den normale verden er vi ikke så heldige siden den dynamiske delen av signalet er mye høyere og endringene også er høyere. Vanligvis bruker vi en annen sensor for å kompensere for feilen. En av sensorkombinasjonene som brukes svært ofte, er akselerometerhastigheten til turnGPS-sensorer. Ved måling av vibrasjoner er den statiske delen ikke viktig, og må derfor fjernes når den integreres med høypassfrekvensfiltre. Typer av målinger Akselerasjonsmålinger er delt inn i følgende kategorier: Vibrasjon - en gjenstand sies å vibrere når den utfører en oscillerende bevegelse om en posisjon av likevekt. Vibrasjon finnes i transport - og romfartsmiljøene eller som simulert av et rystesystem. Støt - en plutselig forbigående eksitasjon av en struktur som generelt oppmuntrer konstruksjonsresonansene. Bevegelse - bevegelsen er en sakte bevegelse som for eksempel bevegelsen av en robotarm eller en bilmåling. Seismisk - Dette er mer av bevegelse eller lavfrekvent vibrasjon. Denne måling krever vanligvis en spesialisert høyhastighets høyoppløsnings akselerometer. Accelerometer Accelerometre er enheter som produserer elektriske signaler (spenning, ladning.) I forhold til den erfarne akselerasjonen. Det er flere teknikker for å konvertere akselerasjon til et elektrisk signal. Vi vil gi en generell oversikt over det meste av da og så se kort på noen andre. Grunnprinsipp for en akselerometer De fleste akselerometerene er basert på Hookes og Newtons første og andre lov. Hookes lov sier at kraften F som trengs for å strekke eller komprimere en fjær er proporsjonal med endringen av avstand x med en faktor k (en konstant faktor karakteristisk for våren). Ligningen er F k x. Newtons første lov sier at et objekt forblir i ro eller kontinuerlig for å bevege seg med konstant hastighet, med mindre det opptrer av en annen kraft. Hans andre lov sier at kraften F som er opprettet av et bevegelige objekt, er lik sin masse m ganger akselerasjon a, og gir ligningen F ma. Den mest generelle måten å utnytte disse lovene er å suspendere en masse på en fjær fra en ramme som omgir massen (som i bildet under). Når rammen ristes, begynner den å bevege seg, trekker massen sammen med den. Hvis massen skal gjennomgå samme akselerasjon som rammen, må det være en kraft som utøves på massen, noe som vil føre til en forlengelse av våren. Vi kan bruke noen av en rekke forskyvningsgivere (for eksempel en kapasitiv transduser) for å måle denne avbøyningen. Den generelle akselerometer består av en masse, en fjær eller et lignende system og en forskyvningsgiver: To konfigurasjoner av piezoelektriske akselerometre er i vanlig bruk: Komprimeringstypen hvor massen utøver en trykkraft på det piezoelektriske elementet Skjæretypen hvor massen utøver en skjærkraft på det piezoelektriske elementet. Fysikkloven Typer av akselerometre Accelerometre er designet ved hjelp av ulike sensing prinsipper. Her er en rask oversikt og sammendrag for å gi deg en bedre forståelse av dem: Piezoelektriske - Fungerer basert på de piezoelektriske materialets evne til å endre elektrisk potensial når det er under stress. De tilbyr unike fordeler, sammenlignet med andre akselerometre. De har et bredt dynamisk utvalg. utmerket lineæritet, bredt frekvensområde (fra noen Hz til 30 kHz), er de eneste akselerometerene som er i stand til å måle vekslende akselerasjon, men er ikke i stand til å måle DC-responser. Fordi de ikke har bevegelige deler, blir holdbarheten økt. Og i motsetning til andre sensorer trenger de ikke en ekstern strømkilde. Piezoresistive - Fungerer på samme måte som piezoelektriske materialer, med forskjellen at det endrer materialets elektriske motstand, og ikke det elektriske potensialet. Disse sensorene er i stand til målinger på opptil 1000 G, har en ekte DC-respons og en typisk brukt i mikrobearbeidede konstruksjoner. Kapasitiv - En metallstråle eller en annen mikrobearbeidet funksjon produserer kapasitans, som endres når sensoren blir akselerert. De brukes mest i MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) akselerometre og har lignende egenskaper som potensiometre når det gjelder frekvens, dynamisk område og DC-respons. Potentiometrisk - Potensiometerets viskerarm er festet til fjærmassen, noe som resulterer i endring eller motstand når fjæren beveger seg. Den naturlige frekvensen av disse enhetene er generelt mindre enn 30 Hz, noe som begrenser dem til lavfrekvente vibrasjonsmålinger. De har også et begrenset dynamisk område, men de kan måle seg til 0 Hz (DC-respons) Hall-effekt - En magnet er festet til en fjær, og når kraften påføres, vil den bevege seg og forårsake en forandring i hallens elektriske felt element. Magnetoresistive - Fungerer på samme måte som hall effect sensor, med forskjellen er at et magnetisk motstandselement brukes i stedet for hallelementet. Fiber Bragg-gitter - Enhver endring i gitterkanten av en optisk fiber resulterer i endringen av Braggs bølgelengde, hvorfra vi kan beregne akselerasjonen. Varmeoverføring - En enkelt varmekilde er sentrert i et underlag. Termoresistorer er like plassert på hver fire sider av varmekilden. Når sensoren er akselerert, vil varmegradienten være asymmetrisk på grunn av konveksjonens varmeoverføring. De fleste produsenter har et bredt spekter av akselerometre og ved første øyekast kan det være et overveldende valg. En liten gruppe med generelle formål vil tilfredsstille de fleste behov. Disse er tilgjengelige med enten topp - eller sidemonterte kontakter og har følsomheter i området 1 til 10 mV eller pC per ms2. DEWESoft akselerometre De gjenværende akselerometerene er laget for en bestemt applikasjon. For eksempel små akselerometre som er beregnet for høyt eller høyfrekvent måling og for bruk på fine strukturer, paneler etc., og som veier kun 0,5 til 2 gram. Andre spesielle formålstyper er optimalisert for: Samtidig måling i tre gjensidige vinkelrette planer Høye temperaturer svært lave vibrasjonsnivåer høyt nivå sjokk Kalibrering av andre akselerometre ved sammenligning og for permanent overvåking av industrimaskiner. Kapasitive piezoelektriske akselerasjons sensorer Piezoelektrisitet er evnen til enkelte materialer (spesielt krystaller og visse keramikk - kjente piezoelektriske materialer er kvarts, turmalin, keramisk (PTZ), GAPO4.) For å generere et elektrisk potensial som svar på påført mekanisk stress. Dette kan ta form av en separasjon av elektrisk ladning over krystallgitteret. Hvis materialet ikke er kortsluttet, induserer den påførte ladningen en spenning over materialet. Materialer som produserer en elektrisk ladning når en kraft påføres dem, viser det som er kjent som den piezoelektriske effekten. Piezoelektriske akselerasjonssensorer arbeider med prinsippet om at et piezoelektrisk materiale (vanligvis en kunstig polarisert ferroelektrisk keramikk) bygges mellom bunnen av sensorhuset og den seismiske massen. Når sensoren er flyttet, komprimerer denne massen det piezoelektriske materialet som gir en meget liten spenningsutgang. Samlet på elektroden, kan det elektriske ladningssignalet med høy impedans konditioneres av enten intern eller ekstern elektronikk til måleformål. Accelerometre som inneholder intern elektronikk er klassifisert som Integrated Electronic Piezoelectric (IEPE), men refereres ofte til av brukerne som spenningsmodus akselerometre. Piezoelektriske akselerometre krever eksterne ladningsforsterkere for signalkondisjonering, kalt ladermodus akselerometre. Spenningsmodus-piezoelektriske akselerometre innbefatter innebygd signalkondisjonering mikroelektronikk. IEPE har blitt vedtatt som standard av industriens sensor, analysator og datainnsamlingsprodusenter. Piezoelektriske sensorer blir ofte brukt i modalanalyse, miljøspenningsskjerming, pyrotekniske hendelser, vibrasjonsprøve på fly, flyflytest og forebyggende og forebyggende vedlikehold. Spenningsmodus akselerometre - IEPE Alle disse spenningsmodus akselerometerene er drevet av en regulert DC spenning og 2 til 20 mA med konstant strøm sensor excitering over en enkel to-wire ordningen. Den innebygde elektronikken konverterer høyimpedansladningssignalet som genereres av det piezoelektriske materialet til et brukbart lavimpedansspenningssignal rett inne i transduseren. Siden utgangen er lavimpedans, kan signalet overføres over lange kabelavstander og brukes i det skitne feltet eller bråkete fabrikkmiljøer med liten nedbrytning. IEPE-sensorer trenger strømforsyning på 4 mA eller 8 mA, og de gir vanligvis et 5 volt signal, og det er derfor mye lettere å overføre disse signalene over lengre kabler. Forsterkerne til disse sensorene er også mye enklere å bygge, og er derfor billigere enn normale piezoelektriske sensorer. Amplitudemålingsområdet er ganske begrenset. Vi kunne nesten ikke finne en sensor som måler mer enn 100g. Det er en enkelt akse samt triaksial sensorer. I det siste har virkelig flotte størrelser blitt tilgjengelige - man kan finne en triaksial sensor som en kube som måler så lite som 10 mm, og med vekten så lett som 5 gram. Vi kan bruke DEWESoft Sirius eller DEWE-43 til å måle med disse sensorene. Sirius ACC kan direkte koble IEPE sensorer mens STG, STG-M eller DEWE-43 trenger MSI-BR-ACC adapter for å måle med disse sensorene. Ladningsmodus-akselerometre Ladestyringspizoelektriske akselerometre utgiver det høye impedans-elektriske ladningssignalet som genereres direkte fra det piezoelektriske sensingelementet. Disse transduserne krever en ekstern ladningsforsterker (bedre alternativ) eller en in-line ladningsomformer for å konvertere høyimpedansladningssignalet til et lavt impedansspenningssignal egnet for måleformål. Siden utgangen er høy impedans, er ladningssignalet svært følsomt for støy fra omgivelsene og flere viktige forholdsregler bør tas for riktig måling. Spesielle lavstøy koaksiale kabler bør brukes mellom transduseren og den eksterne ladeforsterkeren. Disse kablene er spesielt behandlet (for eksempel smurt med grafitt) for å redusere triboelektriske, eller bevegelsesinducerte, støyeffekter. Det er også viktig å opprettholde høy isolasjonsmotstand hos transduseren, kabling og kontakter ved å holde dem tørre og meget rene. Gitt disse forholdsregler sammenlignet med den enkle driften av spenningsmodus-akselerometre, er ladermodus akselerometre vanligvis bare brukt i høy temperatur, høy akselerasjon søknader eller hvis kundene har hundrevis av dem på lager fra ganger som IEPE sensorer ikke var tilgjengelige ennå. I tillegg er det piezoelektriske akselerometeret selvgenererende, slik at det ikke trenger strømforsyning. Det er ingen bevegelige deler som skal slites ut, og til slutt kan akselerasjonens proporsjonal utgang integreres for å gi hastighet og forskyvning proporsjonale signaler. Vi kan bruke Sirius CHG direkte, da den støtter ladetilførsel og MULTI, STG eller DEWE-43 med MSI-BR-CH, men vær så snill å sørge for at det dynamiske området er tilstrekkelig for din applikasjon. Den siste viktige egenskapen til alle piezoelektriske transdusere (spenningsmodus og ladestilling) er deres AC-oppførsel. Piezoelektrisk materiale kan ikke holde oppladningsutgangen på grunn av en statisk inngang. Med andre ord føles det kun dynamiske hendelser og kan dermed ikke brukes til å måle DC-akselerasjon. Utformingen av ladningsforsterkerelektronikken (enten integrert intern eller ekstern) definerer lavfrekvens-AC-paret til målesignalet. Typisk lavfrekvent ytelse av piezoelektriske akselerometre varierer fra til flere Hz. En sammenligning mellom IEPE og Charge-modus sensorer: Statiske akselerasjons sensorer - MEMS sensorer Både, lading og IEPE sensortyper har en felles begrensning: de kan ikke måle en statisk akselerasjon. De begynner å måle fra 0,3 Hz til 10 Hz, avhengig av sensoren. For statiske eller svært lave frekvensmål må brukeren bruke en annen type sensor. Meget populær type er sensoren Mikro-Elektro Mekanisk System (eller MEMS). Dette er faktisk en mikrochip som har en mekanisk struktur (en cantilever beam eller seismisk masse) som endrer sin elektriske egenskap (vanligvis kapasitans) relatert til akselerasjonen. Kapasitive grensesnitt har flere attraktive funksjoner. I de fleste mikromachineringsteknologier er det ingen eller minimal tilleggsbehandling nødvendig. Kondensatorer kan fungere både som sensorer og aktuatorer. De har utmerket følsomhet og transduksjonsmekanismen er ufølsom for temperaturen. Kapasitiv sensing er uavhengig av basismaterialet og er avhengig av variasjonen av kapasitans når geometrien til en kondensator endrer seg. Typisk MEMS akselerometer består av bevegelig massemasse med plater som er festet til et mekanisk fjæringssystem til en referansestamme, som vist på bildet nedenfor: MEMS sensorer var veldig spesielle, siden de ble brukt til å måle jordskjelv eller andre langsomme bevegelser. Men med utviklingen av airbag-teknologien var det stort behov for å lage en lavpris sensor som måler statisk akselerasjon. Derfor ble enkeltbøsningsoppløsningen fremstilt for dette formålet. Senest brukes disse sensorene også i billige gyrosystemer, og vi finner sensorer som også har ganske god båndbredde opptil flere kHz og ganske lavt lydnivå (men fortsatt større enn IEPE-sensorer med samme måleområde). De ble uunnværlige i bilindustrien, datamaskin og audio-video teknologi. Velge riktig sensor Når du velger en hvilken som helst type sensor, er det viktig å svare på følgende spørsmål: Hva måler vi og under hvilke forhold Hvilke relevante faktorer angår våre målinger Hva ønsker vi å få fra våre mål når det gjelder kvalitet, mengde og pris Det som følger er en kort oppsummering av egenskapene. Jordisolasjon Accelerometre med jordisolasjon har vanligvis en isolert monteringsbase og en isolert monteringsskrue, eller i noen tilfeller er hele akselerometerhuset isolert. Jordisolering blir viktig når overflaten av prøveartikler er ledende og på bakken potensial. En forskjell i jordspenningsnivåer mellom den elektroniske instrumenteringen og akselerometeret kan føre til at jordsløyfen resulterer i feilaktige data. Følsomhet Følsomheten er den første karakteren som normalt vurderes. Ideelt sett vil vi ha et høyt utgangsnivå, men her må vi gå på kompromiss fordi høy følsomhet normalt krever en relativt stor piezoelektrisk montering og dermed en relativt stor tung enhet. Under normale omstendigheter er følsomheten ikke et kritisk problem, da moderne forforsterkere er utformet for å akseptere disse lavnivå signalene. Lavfrekvensområde Kravet på vibrasjonsmålinger er vanligvis at sensoren har en lavere høypass-cutoff enn frekvensene av interesse for enhetene som for tiden blir testet. På en roterende maskin som normalt kjører med 50 Hz, kan vi velge en sensor med 5 Hz avskjæring. Ved måling av bygning eller vibrasjon, må dette nivået være svært lavt. En annen viktig ting å vurdere er båndbredde siden jo lavere det blir, desto lengre er gjenopprettingstidene fra støt eller overbelastning. Også forsterkeren bør følge sensorens båndbredde. Det er fint om forsterkeren har minst to områder for å være mer fleksibel i målinger. En typisk applikasjon for lavfrekvensmålinger er papirmøllerullene. De har en frekvens på 15 Hz, hvor brukeren vil trenge en sensor med 0,3 Hz eller mindre båndbredde. For disse applikasjonene er ladning eller IEPE mest egnet. Hvis vi trenger å måle statisk akselerasjon, er det nødvendig med en annen sensorteknologi, som MEMS-sensorer. Lavfrekvensområdet, over hvilket akselerometeret gir en sann utgang, er begrenset ved lavfrekvensenden i praksis av to faktorer. Den første er den lavfrekvente kuttet av forsterkeren som følger den. Dette er normalt ikke et problem da grensen vanligvis ligger under en Hz. Den andre er effekten av omgivelsestemperaturvariasjonene, som akselerometeret er følsomt for. Med moderne akselerometer for skjærtype er denne effekten minimal, slik at målinger under 1 Hz for normale omgivelser. Bandwidth (frequency range) Mechanical systems tend to have much of their vibration energy contained in the relatively narrow frequency range between 10 Hz to 1000 Hz but measurements are often made up to say 10 kHz because interesting vibration components are often present at these higher frequencies. Therefore, we must ensure, when selecting an accelerometer, that the frequency range covers the range of interest. The upper limit is determined by the resonant frequency of the mass-spring system of the accelerometer itself. As a rule of thumb, if we set the upper-frequency limit to one-third of the accelerometers resonance frequency, we know that vibration components measured at the upper-frequency limit will be in error by no more than 12. With small accelerometers where the mass is small, the resonant frequency can be as high as 180kHz, but for the somewhat larger, higher output, general purpose accelerometers, resonant frequencies of 20 to 30kHz are typical. We need to be careful about the increased sensitivity at sensor high-frequency end due to its resonance. Reading in this area will be too high but can be removed in the frequency domain if sensor transfer characteristics is known (by using transfer curves in DEWESoft). Amplitude range Charge sensors have the biggest amplitude ranges (special designed shock sensors can have more than 100 000 g amplitude range), but IEPE are also fairly high (up to 1000 g). MEMS sensors usually have very limited range (up to few hundred g). For general purposes, it is best to use IEPE, whereas for high levels piezoelectric sensors are better. Sometimes (for example for seismic applications) an accelerometer with high sensitivity is required (2 g or lower range). Maximum shock level The charge sensors are the least sensitive to shock. They can sustain up to 100 000 g of shock while IEPE can usually take not more than 5 000 to 10 000 g. MEMS sensors are even more sensitive to shock. Noise level The residual noise level defines the lowest amplitude level of what the sensor will measure. This is also the reason why we should take a sensor with the optimum measurement range because sensors with a higher range will also have a higher noise level. IEPE sensors have very high dynamic range (we can see signals better than 160 dB below the maximum range). Charge sensors are similar, but we need to consider that the noise can be easily generated in the cable. MEMS sensor is much worse in dynamic range limited by internal electronics. Temperature range All the sensors, that include electronics, have a limited high-temperature range, up to 130 deg C. The temperature range of charge sensors is much higher - even up to 500 deg C. Please note however that this also requires a high-temperature cable. All piezoelectric materials are temperature dependent so that any change in the ambient temperature will result in a change in the sensitivity of the accelerometer. Piezoelectric accelerometers also exhibit a varying output when subjected to small temperature fluctuations, called temperature transients, in the measuring environment. This is normally only a problem when very low level or low-frequency vibrations are being measured. Modern shear type accelerometers have a very low sensitivity to temperature transients. When accelerometers are to be fixed to surfaces at higher temperatures than 250C, a heat sink and mica washer can be inserted between the base and the measuring surface. With surface temperatures of 350 to 400C, the accelerometer base can be held below 250C by this method. A stream of cooling the air can provide additional assistance. MEMS sensor temperature range is limited by internal electronics (from -40C to 125C). In some applications, like modal testing, weight can be a big factor due to the mass loading effect. The added mass to the structure changes the dynamic behavior, so ideally a sensor should have no mass at all. That is the kind of hard to achieve by normal design, but we can use laser contactless sensors in such cases. As a general rule, the accelerometer mass should be no more than one tenth of the dynamic mass of the vibrating part onto which it is mounted. Ground loops The ground loop currents can flow in the shield of accelerometer cables because the accelerometer and measuring equipment are earthed separately. The ground loop is broken by using an isolated sensor, an isolated amplifier or electrically isolating the accelerometer base from the mounting surface by means of an isolating stud. Cable noise Cable noise is mainly the issue of piezoelectric accelerometers having a high output impedance. These disturbances can result from triboelectric noise or electromagnetic noise. Triboelectric noise is often induced into the accelerometer cable by mechanical motion of the cable itself. It originates from local capacity and charge changes due to dynamic bending, compression and tension of the layers making up the cable. This problem is avoided by using a proper graphitized accelerometer cable and taping or gluing it down as close to the accelerometer as possible. Electromagnetic noise is often induced in the accelerometer cable when it is placed in the vicinity of running machinery. Transverse vibrations Piezoelectric accelerometers are sensitive to vibrations acting in directions other than coinciding with their main axis. In the transverse plane, perpendicular to the main axis, the sensitivity is less than 3 to 4 of the main axis sensitivity (typically lt 1). As the transverse resonant frequency normally lies at about 13 of the main axis resonant frequency this should be considered where high levels of transverse vibration are present. Accelerometer mass Choosing the mounting position for the accelerometer The sensors can be mounted in different ways. The bandwidth of the sensor is especially sensitive to the way it is mounted. The method of mounting the accelerometer to the measuring point is one of the most critical factors in obtaining accurate results from practical vibration measurements. Sloppy mounting results in a reduction in the mounted resonant frequency, which can severely limit the useful frequency range of the accelerometer. Stud - it is best to drill a hole in the test specimen and fix the sensor to the surface with a screw. This should not affect any sensor property. Obviously, in some cases a customer might not be particularly thrilled to do this, for example, to his brand new prototype of an airplane wing. Adhesive - another type of mounting, which doesnt affect the bandwidth that much is a thin double sided adhesive tape or bees wax (this is limited in its temperature range). Magnet - a very widely used mounting technique for machine diagnostics is to mount the sensor on a magnet. This will still produce a good bandwidth, but of course, the surface must be ferromagnetic (not aluminum or plastic). On sensors where we can use the mounting clip, we can glue the mounting clip up front and then just attach the sensor itself. A quick and dirty solution is also to hold down the sensor with the a hand on a rod. This is useful for some places which are hard to reach, but the bandwidth will be cut to 12 kHz. The accelerometer should be mounted so that the desired measuring direction coincides with its main sensitivity axis. Accelerometers are also slightly sensitive to vibrations in the transverse direction, but this can normally be ignored as the transverse sensitivity is typically less than 1 of the main axis sensitivity. A graph below is showing the bandwidth reduction from different mounting methods: Mounting option Eddy-current sensor Eddy-current sensors are noncontact devices capable of high-resolution measurement of the position andor change of position of any conductive target. Eddy-current sensors are also called inductive sensors, but generally eddy current refers to precision displacement instruments and inductive refers to inexpensive proximity switches. High resolution and tolerance of dirty environments make eddy-current sensors indispensable in todays modern industrial operations. Eddy-current sensors operate with magnetic fields. The driver creates an alternating current in the sensing coil at the end of the probe. This creates an alternating magnetic field with induces small currents in the target material - these currents are called eddy currents. The eddy currents create an opposing magnetic field which resists the field being generated by the probe coil. The interaction of the magnetic fields is dependent on the distance between the probe and the target. As the distance changes, the electronics sense the change in the field interaction and produce a voltage output which is proportional to the change in distance between the probe and target. The target surface must be at least three times larger than the probe diameter for normal, calibrated operation. Eddy-current sensors are used to detect surface and near-surface flaws in conductive materials, such as metals. Eddy current inspection is also used to sort materials based on electrical conductivity and magnetic permeability, and measures the thickness of thin sheets of metal and nonconductive coatings such as paint. Detects surface and near surface defects. Only conductive materials can be inspected. Test probe does not need to contact the part Ferromagnetic materials require special treatment to address magnetic permeability. Method can be used for more than flaw detection. Depth of penetration is limited. Minimum part preparation is required Flaws, that lie parallel to the inspection probe coil winding direction, can go undetected Tolerance of dirty environments Skill and training required is more extensive than other techniques. Not sensitive to material in the gap between the probe and target Surface finish and roughness may interfere. Less expensive and much smaller than laser interferometers Reference standards are needed for setup Position measurement Eddy-Current sensors are basically position measuring devices. Their outputs always indicate the size of the gap between the sensors probe and the target. When the probe is stationary, any changes in the output are directly interpreted as changes in position of the target. This is useful in: automation requiring precise location machine tool monitoring final assembly of precision equipment such as disk drives precision stage positioning Vibration measurement Measuring the dynamics of a continuously moving target, such as a vibrating element, requires some form of noncontact measurement. Eddy-Current sensors are useful whether the environment is clean or dirty and the motions are relatively small. Eddy-current sensors also have high-frequency response (up to 80 kHz) to accommodate high-speed motion. They can be used for: drive shaft monitoring vibration measurements Eddy-current sensor Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since the vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity, and displacement, it is helpful to actually show the vibration. This example has a shaker with an attached light plastic structure that has a low natural frequency. At the same time, a video of the movement of this beam was taken with a high-speed camera. This helps to really see the vibrations as they were measured with the accelerometer. It is always advisable to use a measurement device with anti aliasing filter. Otherwise, we can never be sure that the measurement is correct. Quite often acceleration in a high-frequency range (around 20 kHz) is very high. If a device without anti aliasing filters is used, and samples with lower sampler rates are taken, those high frequencies will be mirrored in the lower range. Especially for the measurements like modal analysis this is the most important criteria. Below is the analog channel setup. There are two ACC modules we will use for the measurement of vibrations. Lets look how to scale the measurements. Sensor setup There are three ways to perform the setup of the sensor: user can enter it from the calibration sheet, user can calibrate it with the calibrator, user can use TEDS technology to read out calibration values. Entering the setup from the calibration sheet. It is helpful to take a look at the sensor calibration sheet. There is the sensitivity of the sensor, expressed either in mV(ms2) or mVg (or both) for IEPE sensors and in pCg for piezoelectric (charge) sensors. The picture below shows the calibration data sheet for a triaxial sensor. The Reference sensitivity is the key value to be entered in the DEWESoft setup. First, as usual, we should enter the Units of measurement. In this case, we use ms2. Then it is the best to go to the Scaling by function section. We check the Sensitivity box and enter 9.863 mV(ms2) in the sensitivity field. Also do not forget to set IEPE measurement. The second way is to do the calibration. We can use a standard old accelerometer calibrator which outputs 10 ms2 peak level acceleration (7,07 ms2 RMS). The sensor is attached to the calibrator, and the acceleration level is adjusted to the sensor mass. Then we enter in Scaling by two points the acceleration level of 7,07 ms2 and click calibrate from RMS. The current measured voltage level in mV is written to the second point scaling. There we can already see if the calibration was successful or not. In the data preview, we can see that the peak level is approximately 10 ms2 and the RMS is around 7,07. We can also select the Scaling by function and compare measured sensitivity to the calibration data sheet. The third, quite a new way of sensor setup, is the use of an electronic calibration sheet - TEDS. With a TEDS sensor, it is quite easy to select settings. Plug in the sensors in Sirius ACC, run DEWESoft and the sensors should be recognized immediately. TEDS works only if the amplifier is in IEPE mode (it doesnt work in the voltage mode). If this is set up later (after the first scan) or if we plug in the sensor when DEWESoft is already running on the setup screen, the TEDS sensors need to be rescanned. This can be done by clicking on the AMPLIFIER column caption on the basic setup screen and selecting the Rescan modules option. TEDS will also work with MSI-BR-ACC. When a sensor is correctly recognized, scaling factors, sensor serial number, and Recalibration date will be read from the sensor. In the setup screen, the user doesnt we have to enter the sensitivity since it is already filled in from the sensor. This principle is easy and straightforward, and it prevents user errors. Math setup - velocity and displacement The second step is to calculate the vibration velocity and the displacement. This can be achieved in the math section with the filter, since the integrator is actually nothing more than a filter. We enter integration and double integration in the setup - first will be the integrator (for calculation of vibration velocity) and the second one will be the double integrator (for measurement of the displacement). Lets go to the channel setup of the first math formula. First, we need to choose the input channels. We must select Acceleration. It is quite a common error to forget to choose the correct input channel, so it is advisable to do this step first. Then we should choose the Integration as math operation. Since the DC offset is merely an error in measurement and calculation, we need to set up the high pass filter (in Flow field) to cut off the DC offset. For single integration, the Order of the filter needs to be at least two(if filter order is one, there will be static offset left in the result, if there is no filter, it will drift away). Next, we enter the units. If the integration is from acceleration to velocity and the acceleration unit is ms2, the output unit is normally ms. If the scale is 1, the units are in ms. If we choose the scaling factor 1000, we will have units in mms. It is also interesting to know the vibration displacement. For this, we should setup another channel by again selecting Acceleration and selecting double integration. Since the double integrator is in fact a second order filter, we need to set the high pass filter to the Order at least three or higher. Usually the displacement caused by the vibration is not visible by the eye, and is measured in micrometers, but since this measurement has quite high values, the output unit was set to be in mm. The scaling factor is therefore again 1000. We can already see in the preview that the peak-peak movement is around 15 mm and since this is a value which can be confirmed with the eye, we can be sure that the scaling factors and the settings are correct. Channel setup - velocity and displacement Displacement and vibration velocity can also be calculated from the acceleration in DEWESoft much easier. Just go to the setup of the acceleration channel from which you want to get displacement or velocity. Displacement To get displacement check the checkbox at Displacement. When the displacement checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and displacement is second integration of acceleration. To get vibration velocity check the checkbox at Velocity. When the velocity checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and velocity is integration of acceleration. Vibration analysis - acceleration, velocity and displacement In the analysis mode, we can look through the data. Here, one picture is put on top of another to see the movement of the accelerometer. The first picture below is the upper point of displacement. On the scope of the right, we can see nicely that the acceleration, displacement, and velocity are phases shifted. On the recorder graph below, we can analyze the acceleration, velocity, and displacement. The displacement (blue curve) is in the upper position. The velocity (red curve) is zero - this is also clear because the upper point is a turnaround and before reaching this point on the top, the velocity is decreased and at the top point, the velocity is zero. The acceleration (green curve) at the top is at maximum in the negative direction. Acceleration is the rate of change of the velocity. We can see from the velocity curve that the rate of change is at a maximum at the top therefore the acceleration is at its maximum at the top dead point Now lets go to the next significant point of the movement - the center point. We can see that it is the center point because the displacement is in the middle. The velocity of the center is at a maximum in the negative direction. The beam is reaching the middle point with the maximum velocity, and it will slowly start to decelerate. Acceleration at that point is zero - when a body is standing still or moves with constant velocity, its acceleration is zero. This can be confirmed by observing the blue acceleration curve. The third significant point is the bottom point. Here, a top point is shown in the background for reference. Displacement is at the lowest point, velocity is zero and will continue to increase, the acceleration is at a maximum in the positive direction - the speed is changing at a maximum rate at this point. We conducted a simple experiment to get a better feeling about the vibration measurement. In practice, the vibration measurement would surely look different, but we would use the same basic principles as shown in this example. Vibration measurement - example Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity and displacement, it is helpful to actually show the vibration. Measurement was made with our new shaker. We tested our new product KRYPTON. Vibration durability test Video shows the vibration durability test of our latest product - KRYPTON. On the picture below we can see the screenshot from a software that runs the shaker. We set the frequency sweep from 10 Hz to 250 Hz, and the maximum acceleration was up to 33 g. On the shaker near KRYPTON, the DEWESoft accelerometer was fixed with a glue. Lets see the signal from the accelerometer. Lets take a look at the maximum acceleration detected by DEWESoft accelerometer. As it is seen in the picture, maximum was at 325.9 ms2, which is 33 g. We have also made a formula for vibration velocity and displacement like it was described on previous pages. The result is already known. Shock test Next test was shock test. Product is exposed to multiple shocks that reach 50 ms2 in our case, but can go up to 100 ms2. Next measurement was made with drop test. As you can see in the video below the product is lifted up, and then falls down, because of gravity. When the aluminium plate hits the ground, the object under test can be hit with 900 g. In our case, KRYPTON was hit with 957.5 ms2 which is equivalent to almost 100 g. Envelope detection Envelope detection is a procedure for early detecting of faults on ball bearings. To add a new envelope detection math module go to a math section and select Envelope detection under Add math section. Envelope detector has several stages and for each stage the parameters must be set: Calculation type defines the principle of calculation: Filtering - uses filter procedure for envelope calculation. Filtering is a standard procedure for calculating envelope used also in other implementations. Peak detection - uses the procedure of detecting peak values in the signal. Peak detection is a procedure which calculates amplitudes more exact than filtering. Use Bandpass checkbox enables or disables the first stage of calculation - band pass filtering. Acceleration sensor measures entire frequency range and acquires unbalance, misalignment and other faults on the machine. Ball bearing errors have very low energy and, therefore, is a small contribution to entire frequency spectrum. Signal band At signal band setup, we have to define lower and upper frequency limit Envelope band At envelope band setup, we have to define lower and upper frequency limit Bearing database In bearing database, we select the type of the machinery. If it is not listed you can add your own in XML database file. The frequency of interest is automatically calculated based on a geometry. When an error of the ball bearing occurs, it will produce ringing with a frequency which corresponds to its natural frequency. This ringing will repeat each time when a damaged part of the ball hits the ring or vice versa. We have to know also that inner ring, outer ring, cage and balls have different typical repeating frequency depending on the geometry of the bearing and the rotational frequency. To only focus on these high frequencies of the ringing, we have to look at the original frequency spectrum. We have generated a sine wave which have a small 10 kHz rings on top. In the frequency domain, we dont see at all the frequency that the ringing repeats, but only a major sine wave (could come from unbalance) and very high frequency coming from the bearing. Bandpass filtering in the envelope detector must be set to remove all components except ringing of the ball bearing. This can be usually found around 10 kHz. In our example, I have set lower frequency limit to 6 kHz and upper limit to 12 kHz to get all the energy. Signal after filtering would look like this: Only high frequency remains, but we still dont see the main low frequency with which the rings are repeating. Therefore, we have to apply an envelope to the signal. Envelope will draw a curve around the peaks of the signal, producing only positive part of the data. To do correct amplitude, we have to choose the Envelope band frequency. Bearings usually have typical frequencies up to 500 Hz and we also might want to Remove DC component in order to see nice frequency spectrum without large DC value coming from DC offset. After this filter, the signal looks like in the picture below and frequency spectrum of the envelope signal reveals the frequency of hits. This was simulated case to see the math procedure behind calculation. In reality, the signal will look like this. Not much to see from the time signal, but with calculation of typical frequencies we can see that the outer ring frequency is clearly shown in the FFT of the envelope signal. Following picture shows the typical damage of the outer ring of the large bearing (courtesy of Kalmer d. o.o. Trbovlje).Evil Mad Scientist Laboratories Using an ADXL330 accelerometer with an AVR microcontroller The last decade has seen more than an order of magnitude drop in the price of accelerometers. devices capable of measuring physical acceleration (often in more than one direction). History suggests that whenever a useful technology makes a precipitous drop in price, unexpected applications follow, and that8217s exactly what has happened in this case. Starting from zero and summing up acceleration, you can use an accelerometer to find velocity, and from that derive relative position information. By measuring the acceleration due to gravity, one can also determine orientation (technically, inclination)8211 you can tell which way it8217s pointing. Those are pretty useful skills for a chip And so as bulk prices for tiny chip-scale three-axis accelerometers have begun to approach 5, they have started to appear in all kinds of mass-market applications that you might not have predicted: laptop computers (for hard drive protection), smart phones and cameras (for orientation8211 e. g. portrait vs. landscape on the iPhone), cameras for image stabilization, and quite visibly in the controllers for Nintendo8217s Wii system. With all that promise, you might think that an accelerometer is a difficult beast to harness. That turns out not to be the case. In this little project we demystify the mighty accelerometer and show you how to get started playing with one. In the spirit of hobbyist electronics we do this the easy way8211 without designing a PCB or even soldering any surface-mount components. Note: An updated version of this article is now available here . Our project consists of two main elements: the accelerometer chip and a microcontroller that will read out the data and display it. Let8217s first focus on the accelerometer. We8217ll be using the ADXL330, which is a very popular little XYZ accelerometer made by Analog Devices. It8217s actually the same chip that you would find as the accelerometer inside the Nintendo Wiimote controller. Purchased one at a time, on its own, this chip costs about 11.50 from Digi-Key. and the price goes down to about 7.25 in large quantity. (If you are Nintendo, the price is even lower.) One of the downsides to new and fancy devices like these is that they tend to come in unfriendly packages. The ADXL330 is only available in a 16-pin LFCSP that8217s a plastic package 4 mm X 4 mm, with pins that can be seen through a good magnifying glass. While it8217s hard to work with on it8217s own, there actually is a good solution for playing with this: get a breakout board. This breakout board from SparkFun comes complete with a ADXL330 accelerometer soldered in place. The relevant connections to the chip are broken out into a row of 0.18243 spaced holes (which I have filled in with a six-pin header) and the three sensitivity axes of the chip are clearly labeled with bright markings on the silkscreen layer8211 a nice touch. The board is Sparkfun SKU: SEN-00692. 35. Yes, it costs a fair bit more than the bare chip itself, but the price is fair and the convenience factor can8217t be beat. (If cost really is an issue, one potential option is to actually use Nintendo8217s buying power to your benefit: disassemble a wii nunchuk controller (20) to get at the similar accelerometer that lives in it. You could even take apart the Wiimote itself, if you can get a good price on the unit. In any case, getting at the connections to the chip will be much more difficult than just buying a decent breakout board.) The accelerometer actually has a very simple analog interface. We only really need to connect to five pins on it. First, it wants power. It needs 1.8-3.6 V (and ground), and just to keep our discussion simple, let8217s plan on using 3V for everything8211 either use a single lithium coin cell two alkaline AA cells in series. The chip also has three analog outputs8211 one for each direction. On these outputs, 1.5 V (really, halfway between the power and ground rails) represents zero acceleration, and deviations from that, either higher or lower, represent higher or lower accelerations. The chip is sensitive to accelerations of - 3 g in each direction. (There is a sixth pin on the breakout board, which is for a self-test feature on the ADXL330 that we will not be using.) Next, we need a simple microcontroller to read out the analog outputs and process them. We8217re using the Atmel ATmega48, a member of the ATmega4888168 series of AVR microcontrollers. If you8217re new to programming AVR microcontrollers, you have an extra step and some reading to do here. (And, as it turns out, this actually is an excellent example of a 8220first8221 microcontroller project for anyone.) To get up to speed, please read LadyAda8217s tutorial. As is explained in the tutorial, you will need an AVR programmer (e. g. USBtinyISP. 22) and a working installation of the (free) AVR software toolchain. Now we come to actually building up the hardware. The first step is to build a simple target board for the ATmega48 a board on which the chip can be programmed. As explained in that article, we need a socket for the AVR (28-pin 0.38243 DIP), a 6-pin DIL header, a battery holder (in this case lithium coin cell or 2 X AA), and a piece of prototyping perfboard to build it all on. Besides those, we also have the accelerometer breakout board, of course. From the battery (left side) we hook the postive end to the indicated pins (Vcc, V) of the microcontroller (3 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The negative side of the battery is our effective ground, and get wired up to the ground pins of the microcontroller (2 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The four remaining pins on the ISP connector (the 2 x 3 header) also need to be wired up to the matching pins on the microcontroller: MOSI, MISO, SCK and RESET. We have skipped drawing the wires here to keep the diagram from looking like this. Hopefully, you learned connect-the-dots long before soldering. P Next, wire up the outputs of the ADXL330 board to the ADC inputs of the microcontroller as shown. X output to pin 28, Y to pin 27, Z to pin 26. Finally, we add some indicators: two LEDs (one red, one blue) for each of the three axes. The big idea is that when there is no acceleration in (say) the X axis direction, both LEDs are off. When it detects acceleration one way, the red LED lights up (and lights up more, the harder the acceleration is) and it lights up blue for acceleration in the opposite direction. (Naturally, the other two axes work the same way.) To do this, we8217re using the pulse width modulation outputs from the three timers (timer 0, timer 1, and timer 2) on the microcontroller. Each timer has two outputs, called 8220output compare8221 pins A and B, which go to the two LEDs. The six outputs are called OC0A, OC0B, OC1A, OC1B, OC2A, and OC2B, and are hooked up to the LEDs as indicated in the diagram. The AVR can directly drive LEDs of either color, without a series resistor, when powered by a lithium coin cell. However, it turns out that the AVR cannot be programmed in the circuit if the red LEDs are hooked up as shown but without the series resistors. (That8217s because of the difference in LED forward voltage for the two colors.) If you use an alkaline battery to run this circuit, you may wish to put a small resistor ( 30 ohms) in series with the blue LEDs as well. Two minor details, not shown in the diagrams. First, the ADXL330 breakout board is socketed8211 I cut apart a dip chip socket to make a holder for the breakout board 6-pin header so that it doesn8217t have to be permanently soldered to this setup. Secondly, I added a small power switch by the battery holder that lets you switch the circuit on or off easily. You can download the firmware program (C code) for the AVR here (11 kB. ZIP file). It8217s a very simple AVR-GCC program, licensed under the GPL. It reads in three analog inputs sequentially, and lights up the six display LEDs depending on the values that it reads. Once you8217ve gotten the AVR programmed, it should be ready to go and show you outputs that depend on the acceleration. As you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. If you aren8217t wildly swinging the board around, what you8217ll see is just the steady-state gravitational acceleration displayed. You might call it a precision tilt sensor, and it can tell you which way is up. If we tilt our board left or right, such that the X-axis is now pointing slightly up or down (slightly with or slightly against gravity) you can see the X-axis LED pair, which is the on the left, switch from red to blue: If instead we tilt the board forward and back, such that the Y axis is along or against gravity, you see the same thing for the middle pair of LEDs: Finally, the Z indicator pair, on the right, is blue until you turn the board upside down8211 or shake it up and down. So that8217s it: a working 8220Hello world8221 for an accelerometer, all the way up to blinking LEDs. Our C code is intentionally simple, and ready to mod. What can you do with it Soon, your little homebrew robot8211 or maybe gigantic evil death machine8211 will be able to tell how far it8217s been, which way it8217s facing, and which way is up. We think that this a useful building block, and we8217ll be interested to see what other new things people build with it. Note: An updated version of this article is now available here . Post navigation Good job, there are not too many accelerometer interface articles out there. I have a question, is this accelerometer able to be used for vibrational measurements You say quotAs you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. quot I am currently designing a system that records wheel flats on railway wagons, and was wondering if such a system would pick up such a vibrational anomaly Can you describe the amount of movement required to change the LEDs A video of you shaking your system around (slow, easy 8211 fast, hard) would be awesome You certainly could use the accelerometer for vibrational measurements. The particular response of the LEDs is really easy to change and if you wanted to, you could make the display much more sensitive than I have here. Excellent, thats great. This could help me in my endless quest for stabilized video from a bicycle mount. Is there any way to take the - 3V and drive a 6-12V linear actuator with fast smooth motion If so then I could get rid of all my aluminum arms bearings, springs, Too cool. Thanks That certainly could be done. The chip output is 0-3 V, by the way (or - 1.5 V from 1.5 V), not - 3 V. What kind of a drive depends on what type of actuator you8217re using, but it doesn8217t sound like a big challenge to do what ever kind of level translation and high-current buffering you might need. Great work first all. By the I8217m working on my final year project making use of DsPIC P30F6014A to read in analogue outputs of the adxl330 x, y,z pins. I got few questions though 1) what is the best reference voltage that can be chosen for DsPic P30F6014A when interfacing adxl330 to get better results 2) The out impedance of adxl330 is 32k, PIC amp Atmel processors require 10k or less. How did you go about this Some suggesting using OPAM non-inverting. Your help is very much appreciate. Email me at keleisteinyahoo. co. uk 1) Use a voltage reference chip. TI makes a number of good ones, for example. 2) The Atmel chips do not quotrequire 10k or less, quot they just recommend it for fastest response, and in this context 32 k is not far from 10 k in any case. for your case you seem to have used 3volts for your reference voltage. Did you connect your vref - to the ground How about deriving 3volts using voltage divider, are there any complications Excellent stuff Keep it up Hi, Thanks for this excellent tutorial. It8217s my first try on an AVR and I managed to get it working (amazing), but can8217t figure one thing out The led8217s dont show any difference between soft shaking and hard shaking. Ive previously made a setup with an Arduino and Nunchuck (which is eventually the same hardware as this tutorial, if I understand well) and that gives a very nice difference between soft and hard shaking. Should this setup do that as well, or would it be able to I have no experience in C so have a hard time trying to understand and reconfigure the script, so any clues to where to look and how to amend which part of the code would be much appreciated. Also another question, would it be a problem to run this on 4.5V or more I8217d like to get more light out of it. Many thanks When built correctly, this project should give smoothly changing LED output8211 able to detect and display small angles. Hi, Thanks for your reply. I didn8217t mean the transition is not smooth 8211 the brightness changes very smoothly when tilting the device, which strength I was also able to amend in the code with the (originally) 2 multiplier. What I meant though is acceleration, instead of tilt. If I suddenly move the device straight up, it does give a quick flicker, which is always the same, where as in the Arduino setup the sudden move up is noted much more detailed, and there is a difference in brightness levels with upward moves of different intensity. I hope I8217m being clear Sounds like a software difference. This program gives real-time output, with no averaging or smoothing. Look at the algorithm used in the other one, if you want to replicate that behavior. quotArduinoquot is not really different from quotAVRquot 8212 the same code will run on this processor whether you give it a new brand name or not. hello im working with ADXL 330 TO MONITOR THE HUMAN ACTIVITY. PLEASE HELP BY GIVING IDEA ABOUT HARD WARE DETAILS peterece1987yahoo hello friends i have question, can i measure distance of one point to end point by ADXL330 if your answer yes. how can i do i integrate twice from accelaration please help me8230 i would this module in submarine to measure distance8230 I8217m looking into intigrating the adxl330 chip into my L3 university project. What I need to know is can the chip sense when it is being twistedspun around Ie, it is flat on a surface and twistedturned as if there was a pivot in the middle of the chip. I hope this explanation makes sense :) No. What you8217re looking for is called a quotrate gyroquot chip. part of my project involved using the accelerometer to connect to the PIC16f877 so that we can read the acceleratio for 3-axis (X, Y,and Z) from the PIC16f877 to pc. if You have the code to reading of the data I would be very happy if will be able to send me the code And also if you have the circuit of the connection pic to adxl330. This is most interesting. Do you know the resolution values for the various acc chips available. If one were to use 1 vs 10 vs 50 chips in an array, could you increase the resolution (accuracy) of the readings. I am interested in measuring gravity to a high degree, perhaps 10-8 of 1G, typical for gravity meters. The iPhone uses an ST LIS331DL chip: -2g but if I read the specs right, it only has 8 bits so that8217s 128 parts per 1g, not a great resolution. If I read that as bad, then it might take a truck load to get down to what I8217m looking for. Is there anything more accurate gtDo you know the resolution values for the various acc chips available. The sensors are analog. The bit resolutions that we discuss are internal to the microcontroller and are unrelated to the sensor outputs. Hii Thanks for a great articles on accelerometers for beginners. Well there is a problem that i want to discuss. Is it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. Actually i am working on a project in which a robot can note the reading of a point and save it in the micro-controller and then it can visit the point again when commanded. Any guidance regarding this will really help me. Thanks Unless you had some very strong gravity-generating material at the origin of this plot, this particular chip wouldn8217t be able to tell you where a point in space iswas. It can tell you which way in all three dimensions the chip is tilting, but it can8217t give you relative distances from an origin. Well, okay, I take that back. In the very first part of the article, it discusses that you can calculate velocity and then distance based on acceleration, but I wouldn8217t exactly call it quoteasyquot to do in a small robot, IMHO. So is there any way that we can get the coordinates of a point in space Although the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. Secondly i cant figure out the above C program for the AVR controller. I think i m a bit weak in C controller programming. so can you please just share us the step by step logic that8217s being used in the program, so that i can program it for PIC or 8051 in assembly. amp Thanks for your help quotSo is there any way that we can get the coordinates of a point in spacequot The short answer (again): No. quotAlthough the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. quot If you have a robot that is programmed to move to a specific place, and then move to another point based simply on coordinates, all you need to do is keep track of the coordinates of where you start, and then move to where you want to go. If you8217re at 0,0, and want to move to 2,0, you program the bot to move to 2,0, and then it stores the fact that it8217s at 2,0. To move to -5, -8, the bot would need to move -7 units X and -8 units Y. Repeat ad infinitum. You can8217t use an accelerometer to figure out where you are on that grid. You just keep track of it as you go along (at a basic level) Thanks for ur reply. i got it this time, Can you please simplify the above program made in C. I mean please just tell us the logic behind this program. Well i think is that the accelerometer gives a pulse every time its tilted in any direction. So the controller is programmed so that when ever the accelerometer readings go high they send a pulse to the led8217s. Am i right and how do u program it for the strong led blinking, so that when the accelerometer is tilted powerfully the led8217s too light-up strongly. I8217m not sure how to answer this. You say, quotIs it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. quot The accelerometer reads acceleration 8212 not quotpointsquot whatever those are. If you mean, quotcan an accelerometer measure where in space it isquot The answer is simply quotno. quot I was curious about this as well, as I am constructing a similar project. I see that you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, to represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. But I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can handle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could Any advice you could give on this would be greatly appreciated. gt8230you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, gtto represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. The X, Y, and Z labels are only on the accelerometer outputs, not on the microcontroller inputs. gtBut I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can gthandle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could I8217m not sure why you8217d want output pins for this. There are six analog inputs on this particular AVR, so you can read out the complete output of two accelerometers. Other AVRs, and other microcontroller types as well, sometimes have more or fewer analog inputs. Would you happen to know of a particular model that has 15 (or more) inputs 8211 to handle 5 accelerometers Thanks again for your input. This has helped tremendously. You might look at the xmega chips some of them have up to 16 accelerometers. We recently wrote about them here.
No comments:
Post a Comment