Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Obr. 4 Schéma kmitania a meracieho obvodu snímača<br />
z obr.3: 1 ... 4 – piezoelektrické prvky, 5, 6, 7, 8<br />
– prvky meracieho obvodu, UA – výstupné napätie,<br />
Uref – referenčné napätie (v normálnej prevádzke je<br />
nulové, nenulové len v prípade testovania funkcie),<br />
Ω – uhlová rýchlosť stáčania vozidla<br />
napríklad pri experimentálnom výskume smerovej dynamiky<br />
automobilu, sa samozrejme používajú klasické<br />
gyroskopické prístroje, ktoré ovšem pre bežné použitie<br />
v každodennej prevádzke vozidla nie sú vhodné.<br />
Snímače s kmitavým pohybom hmoty sa niekedy nazývajú<br />
„kmitavé gyroskopy“.<br />
Prvým je piezoelektrický snímač v tvare ladičky,<br />
znázornený na obr. 2. Merací prvok snímača tvorí oceľové<br />
teleso pripomínajúce svojím tvarom ladičku, na<br />
ktorom sú umiestnené štyri piezoelektrické prvky (písali<br />
sme o nich v predchádzajúcej časti). Prvé dva prvky<br />
(tzv. budiace) v spodnej časti (pri „koreni“) ladičky<br />
po privedení striedavého elektrického napätia vybudia<br />
kmitanie ramien ladičky v navzájom opačnom zmysle<br />
(proti sebe, v protifáze) podľa šípok, pozícia 7 na obrázku.<br />
Pri priamej jazde vozidla, keď nepôsobí Coriolisovo<br />
zrýchlenie, kmitajú ramená ladičky v spoločnej rovine<br />
(šípky poz. 3) a ich pohyb predstavuje relatívny posuvný<br />
pohyb telesa vzhľadom k systému vozidla. Ak sa vozidlo<br />
stáča uhlovou rýchlosťou Ω okolo jeho zvislej osi<br />
(poz. 2), kmitajúce ramená ladičky sa vplyvom Coriolisových<br />
síl (poz. 4), ktoré pôsobia kolmo na vektory uhlovej<br />
rýchlosti stáčania sa vozidla a rýchlosti kmitania<br />
ramien ladičky, vychýlia svojimi hornými časťami z pôvodnej<br />
spoločnej roviny kmitania a „ohýbajú sa“ navzájom<br />
v opačných smeroch podľa šípky, poz. 1. Druhé dva<br />
piezoelektrické prvky (tzv. meracie) sú umiestnené vyššie<br />
na ramenách ladičky a situované tak, že pri kmitaní<br />
a súčasnom ohýbaní sa ramien sa v nich generuje<br />
striedavé elektrické napätie, ktorého amplitúda je pri<br />
známej konštantnej frekvencii kmitania ramien úmerná<br />
veľkosti uhlovej rýchlosti stáčania sa vozidla.<br />
Druhým je piezoelektrický snímač v tvare dutého<br />
valčeka („hrnčeka“) podľa obr. 3. Princíp činnosti<br />
tohto snímača je podobný tomu predchádzajúcemu.<br />
Dutý kovový valec je na svojom obvode vybavený<br />
štyrmi pármi piezoelektrických prvkov, pričom dva<br />
prvky v páre sú umiestnené naproti sebe (o 180o). Pomocou<br />
prvého piezopáru (poz. 1 – 1’ na obr. 4), na ktorý<br />
sa privádza striedavé elektrické napätie, sa valec<br />
uvedie do kmitavého stavu, pričom sa radiálne deformuje<br />
(striedavo stláča a rozťahuje) v smere osí piezodvojíc<br />
1 – 1’ a 2 – 2’. Druhý piezopár (poz. 2 – 2’) reguluje amplitúdu<br />
kmitania na konštantnej úrovni. Kmitavý pohyb<br />
valca, ktorý je schematicky vyznačený na obr. 3 prerušovanou<br />
čiarou, vykazuje v štyroch miestach pootočených<br />
o 45 o vzhľadom k smeru budenia (v osiach piezopárov<br />
3 – 3’ a 4 – 4’) tzv. uzly kmitania, teda miesta<br />
s nulovou amplitúdou. Pri priamej jazde vozidla, keď nepôsobí<br />
Coriolisovo zrýchlenie, ďalší piezopár (poz. 3 – 3’)<br />
umiestnený v uzlovom bode nedetekuje žiadne napätie.<br />
V prípade stáčavého pohybu vozidla okolo jeho zvislej osi<br />
sa vplyvom pôsobiacich Coriolisových síl uzly kmitania<br />
nepatrne posúvajú po obvode valca, takže na piezoelektrických<br />
prvkoch 3 – 3’ vzniká striedavé elektrické napätie<br />
úmerné veľkosti uhlovej rýchlosti stáčania sa vozidla<br />
Ω. Úlohou štvrtého piezopáru (poz. 4 – 4’) je toto napätie<br />
regulovať na referenčnú nulu a akčná veličina, ktorá<br />
je na to potrebná, slúži po spracovaní vyhodnocovacou<br />
elektronikou ako veľmi presný výstupný signál.<br />
Obidva vyššie popísané snímače uhlovej rýchlosti<br />
stáčania sa vozidla patria do kategórie jemnomechanických<br />
snímačov. Moderné výrobné technológie, využívajúce<br />
postupy leptania potrebných tvarov činných<br />
častí snímača z plného kremíkového plátku, o ktorých<br />
som sa zmienil v predchádzajúcej časti tohto príspevku<br />
v súvislosti so snímačmi zrýchlenia (technológie bulk<br />
mikromechanika“ alebo „povrchová mikromechanika“),<br />
umožňujú ďalšie výrazné zmenšenie rozmerov meracích<br />
prvkov a zmenšenie výrobných nákladov. V súčasnosti<br />
sa aj snímače uhlovej rýchlosti stáčania sa vozidla vyrábajú<br />
prevažne týmito technológiami. Taký snímač je<br />
schematicky znázornený na obr. 5. Na základnej doske<br />
sú pomocou pružín uložené dve kremíkové doštičky,<br />
ktoré kmitajú v protifáze svojou rezonančnou frekvenciou,<br />
ktorá je určená ich hmotnosťou a tuhosťou závesnej<br />
pružiny. Toto kmitanie, ktorého smer je na obrázku<br />
vyznačený šípkou (poz. 3), predstavuje relatívny posuvný<br />
pohyb telesa v sústave vozidla. Budenie tohto kmitavého<br />
pohybu sa realizuje pomocou jednoduchej vodivej<br />
dráhy na povrchu každej doštičky. Do tejto vodivej dráhy<br />
sa privádza striedavé elektrické napätie príslušnej<br />
frekvencie, ktoré v magnetickom poli B permanentného<br />
magnetu, kolmom na plochu doštičky, spôsobí vznik<br />
striedavých elektromagnetických síl v smere kmitania.<br />
S pomocou podobných jednoduchých vodičov na povrchu<br />
doštičky sa s využitím rovnakého magnetického<br />
poľa meria indukčnou metódou frekvencia a amplitúda<br />
jej kmitavého pohybu a tieto veličiny sú elektronicky<br />
regulované na konštantnú hodnotu.<br />
Ak sa snímač otáča spoločne s vozidlom okolo jeho<br />
zvislej osi uhlovou rýchlosťou Ω, vznikne Coriolisovo<br />
zrýchlenie v smere kolmo na smer kmitania kremíkových<br />
doštičiek, tak ako je šípkou vyznačené na<br />
obrázku (poz. 6). Každá z obidvoch kmitajúcich doštičiek<br />
nesie na svojom povrchu miniatúrny mikromechanický<br />
snímač zrýchlenia, ktorý bol popísaný v predchádzajúcej<br />
časti príspevku, obr. 5 a 6, v našom časopise<br />
č. 4/<strong>2009</strong>. Meracia os tohto snímača je situovaná kolmo<br />
na smer kmitania kremíkovej doštičky, takže snímač<br />
detekuje Coriolisovo zrýchlenie, ktoré má vplyvom<br />
www.mot.sk<br />
Technika<br />
Obr. 5 Mikromechanický snímač uhlovej rýchlosti<br />
stáčania: 1 – závesné pružiny, 2 – permanentný<br />
magnet, 3 – smer kmitania doštičiek, 4 – kmitajúca<br />
doštička, 5 – snímač Coriolisovho zrýchlenia, 6<br />
– smer Coriolisovho zrýchlenia, 7 – závesná pružina,<br />
Ω – uhlová rýchlosť stáčania sa vozidla, v – rýchlosť<br />
kmitavého pohybu doštičky, B – magnetické pole permanentného<br />
magnetu<br />
kmitavého pohybu doštičky taktiež kmitavý priebeh<br />
s rovnakou frekvenciou a určitou amplitúdou. Striedavé<br />
elektrické signály týchto snímačov sú teda pri známej<br />
konštantnej rýchlosti kmitania doštičiek úmerné veľkosti<br />
uhlovej rýchlosti stáčania sa vozidla Ω.<br />
Obr. 6 znázorňuje detail popísaného snímača, pričom<br />
v pravom hornom rohu uvedená mierka (0,2 mm)<br />
umožňuje urobiť si predstavu o jeho celkovej veľkosti.<br />
Masová výroba mikromechanických snímačov, známych<br />
pod medzinárodnym označením MEMS (Micro-<br />
Electro-Mechanical-Systems), umožnila v uplynulých<br />
niekoľkých rokoch hromadné nasadenie regulačných<br />
systémov smerovej dynamiky (ESP) v osobných automobiloch,<br />
ktorého výsledkom je znateľný pokles dopravnej<br />
nehodovosti, ako aj ďalších systémov. Spoločnosť<br />
Bosch, ako dominantný európsky výrobca týchto<br />
snímačov, uviedla začiatkom roka 2006 zaujímavé<br />
štatistické údaje, z ktorých vyplýva, že zatiaľ čo pri<br />
nábehu ich výroby v roku 1995 sa vyrobilo 1,35 milióna<br />
kusov, v roku 2000 už 49 miliónov a v roku 20<strong>05</strong> až<br />
100 miliónov kusov. Za desať rokov, od 1995 do 20<strong>05</strong>,<br />
sa vyrobilo spolu 500 miliónov kusov mikromechanických<br />
snímačov všetkých typov. V súčasnosti sa dodáva<br />
pre použitie v systémoch ESP kombinovaný dvojitý snímač,<br />
ktorý meria uhlovú rýchlosť stáčania sa a priečne<br />
zrýchlenie vozidla. Výstupné elektrické signály týchto<br />
snímačov sa využívajú aj v moderných vozidlových navigačných<br />
systémoch.<br />
Ing. Roman MOČKOŘ, CSc.<br />
Obr. 6 Detail štruktúry snímača z obr. 5: 1 – závesná<br />
pružina, 2 – časť kmitajúcej doštičky, 3 – časť<br />
snímača Coriolisovho zrýchlenia<br />
51
Change language