Inteligentní koberec ( )

Transkript

1 Inteligentní koberec ( ) Řešení projektu bylo rozděleno do dvou fází. V první fázi byly hledány vhodné principy konstrukce senzorového pole. Druhá fáze se zaměřuje na praktické ověření vlastností dvou těchto systémů. Typy senzorů a dostupné technologie Existuje několik typů senzorů, které jsou vhodné pro danou konstrukci. - pole diskrétních senzorů síly toto řešení umožňuje dosáhnout vysokého rozlišení polohy (např. 1cm), určit velmi přesně hmotnost objektu a má i dobré dynamické parametry (umožňuje sledovat statické zatížení i rychlý pohyb). Problémem tohoto řešení je vysoká cena senzorů síly a složitost vyhodnocovací elektroniky. Například při rozlišení 2cm a vyhodnocované ploše 1m 2 je nutné použít 2500 samostatných senzorů síly s cenou řádově několik set korun za kus. - použití kabelů vykazujících piezoelektrický jev. Koaxiální kabely s piezoelektrickým dielektrikem nacházejí využití převážně v oblasti bezpečnostních technologií (detekce pohybu). Při mechanickém namáhání kabelu vzniká na jeho svorkách elektrické napětí úměrné intenzitě působících sil. Toto řešení bylo ověřováno prakticky, podrobnější popis a výsledky budou uvedeny dále. Obr.1. Konstrukce kabelu s piezoelektrickým dielektrikem - použití částečně elektricky vodivé gumy a systému elektrod. Při tomto řešení se využívá detekce změny odporu při zatížení. Elektricky vodivá pryž (angl. conductive rubber) se využívá například při ochraně pracoviště před vznikem elektrostatických polí (ESD), které by mohly vést ke zničení citlivých elektronických součástek. Pro tuto alternativu byl také proveden praktický test. - využití speciálních elektronických součástek (integrovaných obvodů) a systému elektrod, které umožňují detekovat změnu elektrického pole. Tento systém se využívá např. pro bezdotykové ovládání elektronických zařízení. Nevýhodou systému je, že dokáže pracovat pouze s předměty schopnými ovlivnit elektrické pole (člověk, alespoň částečně elektricky vodivé předměty). Dalším problémem je konstrukční uspořádání při větší ploše senzoru (používáno spíše na prvky typu a rozměru klávesnice). - byly uvažovány i další principy, které se ale po zvážení nejevily jako realizovatelné (detekce změny kapacity mezi dvěmi elektrodami při jejich zatížení, detekce změny tlaku v uzavřených trubicích s plynem uspořádaných do matice, matice reflexních optoelektronických senzorů...)

2 Studium proveditelnosti Použití koaxiálních kabelu s piezoelektrickým dielektrikem Princip použití tohoto snímacího prvku je patrný z Obr.2. Princip spočívá ve vytvoření matice ze zmíněných kabelů. Při zatížení kabelu nejsme schopni určit ve kterém místě mechanické síly působí (např. na kabelu X 1 ). Lokalizace je možná až s využitím informace z kabelů polohovaných kolmo (Y 1-N ). Bod citlivosti [X?, Y? ] Y 1 Y 2 Y 3 Y N X 1 X 2 X 3 X N Obr.2. Matice piezoelektrických kabelů. Pro praktické testy byly zajištěny vzorky kabelů Vibetek dodávaných firmou Ormal Electronics (Anglie). Dodány byly dva vzorky kabelů lišící se citlivostí na mechanické podněty. Při testu byly kabely připojeny k digitálnímu osciloskopu a zaznamenávány napěťové impulzy vzniklé při mechanickém působení na kabel Obr.3. Obr.3. Testování piezoelektrických kabelů. Při testování bylo zjištěno, že citlivost kabelu není příliš vysoká. Kabel byl k osciloskopu připojen pomocí standardní sondy 10:1 (vstupní odpor 10MΩ). Mechanické namáhání bylo simulováno silným poklepem na kabel a také rychlým ohnutím kabelu (poloměr ohybu 1cm). Napěťové impulsy vzniklé a zaznamenané při těchto testech jsou zobrazeny na Obr.4.

3 Obr.4 Odezva na mechanické namáhání kabelu s piezoelektrickým dielektrikem Výstupní napětí se pohybovalo v řádu desítek milivoltů (10-200mV) a bylo silně závislé na způsobu provedení mechanického namáhání (síla, směr podnětu..) a také na jeho lokalizaci v délce kabelu (vyšší napětí při působení na druhý konec kabelu než byl připojen osciloskop). Doba trvání impulsu na jednorázový podnět je přibližně ms. Z těchto výsledků lze odvodit uspořádání měřícího řetězce. Vzhledem k charakteru zdroje signálu (kapacitní, velmi vysoký vnitřní odpor) je nutné použít zesilovač s velkým vstupním odporem a dále člen (RC článek) ve kterém bude impuls dočasně uložen do doby zpracování analogově-digitálním převodníkem. Rozdíl v citlivosti dodaných vzorků byl patrný, ale při jednoduchých testech se nezdál být tak výrazný jak uvádí výrobce (citlivost 0,15 a 1,0 pc/n). Zda se vyplatí použití citlivějšího (a nákladnějšího) kabelu je nutné ještě podrobně posoudit. Největším problémem při konstrukci by zřejmě bylo mechanické uspořádání kabelů tak, aby byla zajištěna dostatečná mechanická intenzita podnětů, ale také aby nedošlo k degradaci vlastností kabelu vlivem mechanického opotřebení. Nabízí se možnost kabel zaplést do plastového síta s vhodnou roztečí a dále fixovat například pomocí vhodné silikonové zalévací hmoty. Elektricky vodivá pryž Pro testování jsme zajistili vzorek elektricky vodivé pryže dodávané firmou ABETEC. Již první měření digitálním multimetrem ukázalo, že se změnou tlaku na systém pryž elektrody se výrazně mění elektrický odpor mezi elektrodami. Problematické je opět mechanické uspořádání. Pro podrobnější ověření vlastností bylo navrženo jednoduché uspořádání na desce z materiálu cuprexit (laminátová deska s měděnou fólií na jedné straně polotovar pro výrobu plošných spojů). Frézováním byl na měděné straně desky vytvořen systém elektrod. Tyto byly ještě pájením spojeny tak, aby vznikla podobná matice jako na Obr.1. Pomocí oboustranné lepící pásky byla na podklad fixována vodivá pryž. Celý postup je patrný z Obr.5.

4 Obr.5 Jednoduchý model senzorového pole Na takto zhotoveném přípravku bylo provedeno další měření. Zaměřili jsme se na opakovatelnost změny odporu a ovlivnění sousedních bodů měření (jakou změnou odporu v jistém bodě způsobí tlak na jiný bod). Bylo zjištěno že při námi použitém upevnění vodivé pryže je ovlivnění nevýrazné. Z výsledků měření dále vyplynulo, že není možné vyhodnocovat velikost odporu v celé škále možných hodnot (1kΩ - 10MΩ), ale je nutné se zaměřit na změnu odporu a to v řádu 1kΩ až 50kΩ. Tyto změny jsou již způsobeny tlakem na konkrétní bod. Na Obr.6 je senzor připojen k elektronickému multimetru v režimu měření odporu. Je patrná změna odporu při působení síly na konkrétní bod. Obr.6 Změna odporu při zatížení senzoru (z 20,36kΩ na 5,781kΩ)

5 Úspěšnost použití této metody záleží na kvalitě mechanické konstrukce. V případě použití metody plošných spojů by zřejmě bylo nutné chránit povrch vhodným způsobem před oxidací (a tím ztrátě citlivosti) např. chemickým zlacením apod. Cenová kalkulace Piezoelektrický kabel záleží na prostorovém rozlišení. Cena kabelu (viz ceník) + cena fixačního materiálu + cena vyhodnocovací elektroniky.. Vodivá pryž cena vodivé pryže + cena systému elektrod (DPS, jiné?) + cena vyhodnocovací elektroniky (složitost elektroniky přibližně stejná jako pro piezokabel) Závěr Z provedených testů vyplývá, že oba testované principy se jeví jako použitelné. Výsledná kvalita (rozlišení, citlivost, trvanlivost) bude silně závislá na mechanickém provedení senzoru. Obecně lze říci, že senzor s piezoelektrickými kabely bude více vhodný pro snímání dynamických změn tlaku a nevhodný pro snímání statického zatížení. Pro senzor s vodivou pryží tomu bude naopak. Pro další práci je nutné stanovit přesnou specifikaci: - plošného rozměru senzoru - jeho rozlišení - dynamických parametrů (rychlost zobrazovaní) - citlivosti (předměty o hmotnosti x kg..) - ceny