PROJEKT. Předmět: BROB. Rešerše - snímače inerciální navigace. Vypracoval: Karel Flídr (125420), Pavel Sodomka (125636)

PROJEKT Předmět: BROB Rešerše - snímače inerciální navigace Vypracoval: Karel Flídr (125420), Pavel Sodomka (125636) Dne: 13. 4. 2012

Obsah: 1 Zadání...3 2 Inerciální navigace...4 Inerciální snímače...5 3 Akcelerometry...5 3.1 Se seismickou hmotou...6 3.1.1 Piezoelektrické akcelerometry...6 3.1.2 Piezorezistivní akcelerometry...8 3.2 MEMS Akcelerometry...9 3.2.1 Technologie MEMS...9 3.2.2 MEMS akcelerometry s proměnnou kapacitou...10 3.3 Další...14 3.4 Akcelerometr ADXL202E...15 3.5 ANALOG DEVICES, INC. A imems TECHNOLOGIE...16 3.6 STRUKTURA AKCELEROMETRU ADXL202E...17 3.7 ZAPOJENÍ A POUŽITÍ AKCELEROMETRU ADXL202E...19 3.8 Akcelerometr LIS3LV02DQ...20 4 Gyroskopy...22 4.1.1 Mechanický gyroskop (Gyroteodolit)...22 4.1.2 Kvantový gyroskop...23 4.1.3 Jaderný gyroskop...23 4.1.4 MEMS gyroskopy...23 4.1.5 Optické gyroskopy...25 5 Magnetometry...27 5.1 Magnetické pole Země...28 5.2 Mechanický kompas...29 5.3 Indukční kompas...30 5.4 Hallův kompas...32 5.5 Magnetorezistivní kompas...34 5.6 Magnetometr KMZ51...34 6 Literatura...36 2

1 Zadání Popište základní principy snímačů pro inerciální navigaci. Proveďte průzkum současného trhu s těmito snímači. Zaměřte se jak na snímače založené na jednom elementárním principu, tak i na snímače kombinující několik těchto elementárních principů. Rešerše by měla obsahovat seznam výrobců zabývajících se touto oblastí, příklady jednotlivých nabízených snímačů a jejich odlišnosti od ostatních. Rešerše by také měla zahrnovat komplexní moduly inerciální navigace s pokročilým zpracováním dat. 3

2 Inerciální navigace Metoda zvaná inerciální navigace (inertial navigation) používá tzv. inerciálních senzorů, jako jsou gyroskopy a akcelerometry pro měření rychlosti pohybu vozidla a následné pozice, přičemž primární měřenou veličinou je zpravidla zrychlení. Celý princip tedy spočívá v efektu, že známe-li startovní pozici objektu a zaznamenáme-li změny zrychlení ve všech osách, které jsou pro měření podstatné, jsme schopni vypočítat současnou rychlost a pozici. Princip metody je jednoduchý, ale praktická realizace je velmi obtížná, protože s integrací užitečného signálu je integrována i chyba [3]. Každý volný objekt ve vesmíru má šest stupňů volnosti. Jsou to tři lineární stupně volnosti (x, y, z), které udávají pozici a tři stupně volnosti rotace (Θ,ψ,ϕ ), které specifikují polohu objektu. Pokud je známo těchto šest proměnných, známe polohu, kde se objekt nachází. Pokud jsou tyto údaje monitorovány po určitou dobu, tak je možné určit dráhu a rychlost pohybu objektu. Tento způsob navigace se velmi často používá například pro navigaci raket a nazývá se inerciální navigace [5]. Tato technologie byla patentována v roce 1910 v Německu a později používána k navigaci raket V 1 a V-2. Ze zrychlení je možné poměrně jednoduše pomocí integrací získat rychlost a další integrací pozice. Problém integrace je v tom, že je integrováno nejen zrychlení objektu, ale i všechny chyby vznikající při měření zrychlení. Dnes se používá v ponorkách, tancích, letadlech a balistických střelách. Nevýhodou inerciální navigace je vysoká cena, způsobená použitím drahých konvenčních akcelerometrů a gyroskopů. Problém ceny je ale možné vyřešit použitím relativně levných snímačů vyráběných MEMS technologií [4]. Existují dva základní přístupy k inerciální navigaci. První z nich používá kardanový systém, který využívá gyroskopicky stabilizovanou platformu pro vyvážení senzorů s předdefinovaným referenčním rámem. Jejich výhodou je to, že na ně působí menší síly a je snadnější vypočítat aktuální pozici. Mají nižší spotřebu energie a nižší cenu. Bezkardanový inerciální navigační systém používá plošinu pevně spojenou s vozidlem a levné inerciální senzory, tedy akcelerometry a gyroskopy v podobě integrovaných obvodů, což způsobuje příklon především k této technologii [4]. 4

Inerciální snímače 3 Akcelerometry Akcelerometry jsou v dnešní době velmi používané snímače. Primární veličinou, kterou akcelerometry snímají je zrychlení. Akcelerometry jsou schopny měřit zrychlení jak dynamické (síla působící na snímač v pohybu), tak gravitační (působení gravitace). Základní rozdělení akcelerometrů je na akcelerometry se seismickou hmotou a s proměnou kapacitou, které využívají technologie MEMS. Druhé rozdělení lze provést podle toho, kolik mají citlivých os, tedy na jednoosé, dvouosé, tříosé. Tyto senzory mohou měřit od velmi nízkých hodnot g a dokáží vydržet nárazově i 1000g (Shock Survival). Napájecí napětí se pohybuje většinou od 3 do 24 V. Oblasti, ve kterých se akcelerometry využívají, lze rozdělit do třech skupin: Samočinné aplikace : airbagy, detekce překlopení, detekce odpojení přívodu paliva, detekce nárazu, kontrola zavěšení, dynamimická kontrola vozidla, brzdové systémy, bezpečnost cestujících. Péče o zdraví a fitness aplikace: rehabilitační přístroje, měření rozsahu tělesného pohybu, pedometry, ergonomická zařízení, zařízení pro sportovní lékařství, sportovní diagnostické systémy. Průmyslové a zákaznické aplikace: detekce pádu, ochrana HDD, MP3 přehrávače, přenosná elektronika, E- kompasy, stabilizace obrazu, robotika, vstupní zařízení pro virtuální realitu, bezpečnostní zařízení, navigace, dead reckonig pro GPS, černé skříňky, kontrola lodní přepravy, akustika, kontrola rovnováhy přístrojů, kontrola opotřebení ložisek, monitorování seismické aktivity. 5

Obr. 3.1 Způsoby použití akcelerometrů Rozdělení akcelometrů : Piezoelektrické akcelerometry využívají piezoelektrický krystal, který generuje náboj úměrný působící síle, která při zrychlení působí na každý objekt. Piezoresistivní akcelerometry využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně odporu. MEMS Akcelerometry využívají mikrokřemíkovou mechanickou strukturu, kde zrychlení odpovídá změně kapacity. 3.1 Se seismickou hmotou 3.1.1 Piezoelektrické akcelerometry Piezoelektrické akcelerometry využívají piezoelektrický materiál - krystal, který generuje náboj úměrný mechanickému namáhání způsobenému silou působící na tento krystal. Velikost působící síly je dána velikostí zrychlení a hmotností seismické hmoty podle Newtonova zákona. Vnitřní elektronika senzoru potom konvertuje náboj na napěťový výstup s nízkou impedancí. Jednoduchá konstrukce umožňuje připojit přístroj na jednoduchý 6

vyhodnocovací obvod. Tyto snímače nemohou být použity pro měření konstantního zrychlení, protože nedokážou měřit frekvence nižší než 0.1 Hz. Princip spočívá v tom, že jedna strana piezoelektrického krystalu je pevně připevněna k základně senzoru a k protilehlé straně krystalu je připevněna seismická hmota. Jestliže je akcelerometr vystaven zrychlení a (vibracím, akceleraci, otřesům), působí seismická hmota na krystal silou, jejíž velikost je dána součinem zrychlení a hmotnosti seismické hmoty. Síla, která působí na krystal, způsobuje generování elektrického náboje na výstupu senzoru. Piezoelektrický efekt tak generuje na výstupu náboj q, úměrný působící síle. Protože seismická hmota má konstantní hmotnost, výstupní signál v podobě náboje je úměrný akceleraci senzoru. Pokud je akcelerometr pevně upevněn k testovanému objektu, měří i jeho zrychlení. Akcelerometr charakterizuje nábojová citlivost a napěťová citlivost (Obr. 3.2.1). Obr. 3.2.1 Fyzikální princip piezoelektrického akcelerometru se základními výpočty Piezoelektrické akcelerometry, které se používají pro měření vibrací, nárazů a nepřímé měření rychlostí, mají mírně rozlišné konstrukce. Tyto konstrukce zlepšují požadované vlastnosti na úkor jiných: Smykový mód pro senzory se zvýšenou odolností na vliv teploty a parazitní vibrace pouzdra; Ohybový mód pro měření seismické aktivity; Kompresní mód základní provedení pro průmyslové akcelerometry. Piezoelektrické akcelerometry patří mezi senzory výrobně jednodušší konstrukce, které jsou známé a vyrábějí se již delší dobu. Jejich výroba je jednoduchá, nevýhodou jsou větší rozměry. 7

3.1.2 Piezorezistivní akcelerometry Piezorezistivní akcelerometr je senzor, který využívá piezorezistivní materiál místo piezoelektrického krystalu a jeho prostřednictvím převádí sílu od seismické hmoty na změnu odporu. V integrovaných piezorezistivních akcelerometrech se využívá sítě leptaných měřících piezorezistivních snímačů zapojených do Wheatstonova můstku. Piezorezistivní akcelerometry mají výhodu proti piezoelektrickým v tom, že mohou měřit i konstantní zrychlení, to znamená frekvenci změn od 0Hz. Dnes nejpoužívanější princip, využívaný v integrovaných akcelerometrech, byl objeven již v roce 1979. Je založen na použití ohybu jednoho konzolového nosníku z piezorezistivního křemíkového materiálu vlivem působícího zrychlení. Ohybem se mění odpor, který je měřen. Piezorezistivní akcelerometry mají tyto vlastnosti : Malá velikost, netečné pouzdro, snadná společná integrace senzoru a elektroniky Citlivost na zrychlení menší než jedna setina gravitačního zrychlení Velká šířka pásma, velká přesnost, lineární výstup, nízká cena Stabilní výstup přes celý rozsah výstupních teplot Senzor by měl být citlivý pouze na požadovanou složku zrychlení Princip snímače spočívá v tom, že hmota piezorezistivního akcelometru je v podstatě zátěž na pružině. Když se rám snímače pohne, hmota má tendenci setrvávat v klidu až do doby, kdy napjatá pružina předá dostatek síly hmotě k pohybu. Síla působící na pružinu je úměrná deformaci, která je dále přímo úměrná měřenému zrychlení. Od akcelerometru se očekává, že bude citlivý pouze na zrychlení v požadovaném směru. Tato podmínka je prakticky velmi těžce splnitelná a proto akcelerometr, měří parazitně i zrychlení v ostatních osách. Tato nežádoucí citlivost se označuje jako křížová citlivost (cross-sensitivity). Je vyjádřena poměrem citlivosti v ostatních směrech vůči směru měřenému. Křížová citlivost způsobuje chybu měření. 8

Obr. 3.2.2 Vnitřní struktura piezorezistivního akcelerometru U piezorezistivních akcelerometrů se využívají takové koncepty, jako jsou například vícenosníkové a samotestující struktury ve spojení se společnou integrací s řídícími a vyhodnocovacími obvody. Piezorezistivní akcelerometry se díky svým vlastnostem hojně využívají. Výhodou je spodní hranice měřitelnosti blízká nule a vysoká citlivost. Nevýhodou pak je významná závislost výstupu na teplotě, kterou je však možné částečně kompenzovat samočinným testováním. 3.2 MEMS Akcelerometry 3.2.1 Technologie MEMS Technologie MEMS je v podstatě spojení integrovaných obvodů, mechanických elementů, senzorů, akčních členů, řídící a vyhodnocovací elektroniky na jeden křemíkový substrát prostřednictvím různých výrobních technologií. Zatímco elektronické části jsou 9

vyráběny "tradičními" technologiemi typu CMOS, Bipolar nebo BiCMOS, mikromechanické části jsou zhotovovány prostřednictvím technologií různého selektivního leptání, nebo implementováním nových vrstev. Přínosem technologie MEMS je především zmenšení rozměrů, nízká spotřeba snímačů vyráběných pomocí této technologie. Obr. 3.3.1 Křemíková pružina vyrobená technologií MEMS a porovnání některých mechanických MEMS komponent s roztočem. Pomocí technologie MEMS lze vytvářet miniaturní až mikroskopické systémy o rozměrech několika milimetrů až mikrometrů, složené ze snímačů, převodníků, elektrických obvodů a aktuátorů, které tvoří MEMS zařízení. Mezi výhody MEMS zařízení patří malé rozměry, nízká spotřeba, vysoká mechanická odolnost, kompaktnost, nízká cena při velkých sériích. V současnosti jsou používány tři způsoby výroby MEMS struktur - před vlastním procesem CMOS, v jeho průběhu nebo až po dokončení tohoto procesu. Celý výrobní proces se obvykle skládá ze sekvence operací, při kterých se postupně formují požadované mechanické struktury, jako jsou nosníky, ozubená kolečka, ložiska, tyčky apod. Technologie MEMS se používá například na výrobu prvků, které nachází uplatnění v automobilovém průmyslu, medicíně optoelektronice a dalších průmyslových i neprůmyslových aplikacích. Vzájemné interakce mechanické pohyblivé struktury a vyhodnocovací digitální a analogové elektroniky používají například akcelerometry, gyroskopy, oscilátory, rezonátory, optoelektronické přepínače a další zařízení. 3.2.2 MEMS akcelerometry s proměnnou kapacitou Princip činnosti MEMS akcelerometrů je založen na změně kapacity vnitřního proměnného integrovaného kondenzátoru, vlivem působící síly vzniklé zrychlením pouzdra 10

senzoru. Struktura obvodu obsahuje polykřemíkový mikromechanický senzor a technologií BiMOS integrované obvody pro zpracování signálu ze senzoru. Struktura senzoru umožňuje měřit kladná i záporná, gravitační i dynamická zrychlení. Obr. 3.3.2 Nalevo je zobrazena struktura senzoru bez působení zrychlení, napravo je struktura snímače při působení zrychlení. Vlastní integrovaný senzor (Obr. 3.3.2) je tvořen mikromechanickou strukturou (nosník, pružiny, pevné úchyty), vytvořenou na povrchu křemíkového monokrystalu. Křemíkové pružiny umožňují pohyb celé mechanické struktury po povrchu monokrystalu a zároveň kladou mechanický odpor proti síle vzniklé zrychlením. Prohnutí a deformace takovéto struktury je převedeno na změnu kapacity kondenzátorů v diferenčním zapojení. Kondenzátory jsou složeny ze dvou pevných desek a prostřední desky pevně spojené s deformujícím se nosníkem. Takto realizované dva kondenzátory tvoří dělič pro dva obdélníkový signály stejné amplitudy vzájemně posunuté ve fázi o 180, které budí jeho pevné desky. Zrychlením působícím na senzor, dojde k posunutí prostřední desky a tím dojde ke změně dělícího poměru (Obr. 3.3.2). Na výstupu se objeví obdélníkový signál o amplitudě úměrné hodnotě zrychlení a fázi, která nese informaci o směru pohybu nosníku, tedy o směru působícího zrychlení. Konkrétní akcelerometry Všechny senzory jsou produkty společnosti Analog Devices a patří do skupiny MEMS akcelerometrů s proměnnou kapacitou. 11

ADXL 202 Akcelerometr ADXL 202 je levný, energeticky nenáročný, dvouosý akcelerometr, který je schopný měřit jak dynamické, tak gravitační zrychlení. Jeho výstupem je digitální signál, jehož pracovní cyklus (poměr šířky pulsu k periodě) je úměrný zrychlení. Tyto signály mohou být měřeny přímo mikroprocesorem bez použití A/D převodníku. Obr. 3.2.2.1 Technické údaje snímače ADXL 202 Šířka pásma snímače může být nastavena pomocí kondenzátorů Cx a Cy v rozsahu 0.01Hz až 5 khz. Matematická závislost mezi kapacitou a šířkou pásma je dána následujícím vztahem: F 3 db 1 (3.1) (2 (32k ) xc( x, y)) C(x,y) představuje velikost obou kondenzátorů v mikrofaradech. Samotné měření pomocí mikroprocesoru pak spočívá v měření obou časů 1 T a 2 T, které jsou ohraničeny dvěma vzestupnými a jednou sestupnou hranou (Obr. 3.2.2.2). Obr. 3.2.2.2 Pulzně šířková Délka impulsu T1 je úměrná působícímu zrychlení. Perioda T2 je během měření konstantní, ale lze ji měnit hodnotou externího připojeného rezistoru Rset v rozmezí 0.5ms až 10ms. Nominální hodnota délky T1 je 50% T2 pro působící zrychlení 0 g. 12

ADXL 203 Akcelerometr ADXL 203 představuje jednoduché řešení, umožňující rychlé výpočty. Je integrován v 8-pinovém pouzdře, dva piny jsou použity pro napájení (COM a Vs) dva jako výstup napětí, která odpovídají měřeným napětím (X výstup, Yvýstup) a jeden pin je použit pro ověření funkčnosti snímače. Spojitá šířka pásma jednotlivých os je nastavována kapacitou kondenzátorů Cy a Cx připojenými na X výstup a Y výstup. Obr. 3-2-3 Technické údaje snímače ADXL 203 ADXL 330 nižší přesností. Je velmi podobný typu ADXL203, od kterého se liší měřením ve všech třech osách a 13

Obr. 3.2.2.4 Technické údaje snímače ADXL 330 3.3 Další Na dnešním trhu je k dostání několik druhů akcelerometrů fungujících na různých principech a vyráběnými různými technologiemi výroby, které jsme shrnuli výše. Kapacitní snímání pohybu narozdíl od piezoodporového nebo piezoelektrického má několik výhod k nimž patří teplotní stabilita, opakovatelnost, CMOS obvodová kompatibilita a schopnost měření zrychlení o nízké frekvenci. Z těchto důvodů také většina akcelerometrů vyráběných technologií bulk MM (slepení senzoru a elektronického obvodu) přešly na kapacitní snímání pohybu. U těchto akcelerometrů došlo ke zlepšení mnoha parametrů, přesto mezi limitující faktory stále patří omezení jen na jednu osu snímání, nízká rezonanční frekvence a cena. Až kombinace kapacitního snímání a sufrace MM (mikromechanická) technologie výroby přinesla výborné parametry za přijatelnou cenu. Existují dva základní přístupy k sufrace MM výrobní technologii. Motorola vyrábí dvou-čipovým způsobem. Samotný senzor vyrábí technologií sufrace MM a takto vyrobený senzor je zapouzdřen a drátovými propojkami spojen s čipem pro úpravu signálu. Analog Devices používá technologii kdy senzor i obvody pro úpravu signálů jsou integrovány na jediném čipu. Tato technologie je nazývána imems (integrované mikro-elektromechanické systémy) a příkladem této technologie je akcelerometr ADXL202. Samostatnou kapitolou jsou pak s ADXL202E pinově kompatibilní tepelné konkureční digitální akcelerometry vyráběné MEMS technologií firmou MEMSIC. Tyto akcelerometry 14

mají přibližně stejné parametry i cenu a díky tomu že fungují na zcela odlišném principu dosahují mnohonásobně větší odolnosti proti nárazům (až 50.000g). Jsou určeny pro měření zrychlení s frekvencí do 100 resp. 400 Hz. Akcelerometry nevyužívají pohyblivé části, resp. seismickou hmotnost m. Uvnitř ve středu akcelerometru je odporový materiál, který ohřívá vzduch jenž ve svém okolí vytváří teplotní gradient. Pokud na akcelerometr nepůsobí zrychlení zaznamenávají kolem odporového materiálu symetricky umístěné teplotní čidla stejnou teplotu. Při působení zrychlení dojde k naměření diferenční teploty mezi jednotlivými čidly, která je úměrná zrychlení. Motorola vyrábí klasické jednoosé kapacitní MEMS akcelerometry s digitálním výstupem. Typ 1260D má rozsah rozsah ±1,5g úrovní šumu 500mg / Hz. Typ 1270D má rozsah rozsah ±2,5g úrovní šumu 700mg / Hz. ADLX202E má tedy lepší úroveň šumu, což je důležitý parametr akcelerometru pro použití jako senzor pro navigaci. Firma!STMicroelectronics vyrábí typ LIS2L02AQ, dvouosý akcelerometr s pouze analogovým výstupem, rozsah ±2g a s úrovní šumu 50mg / Hz. Nižší úroveň šumu však nekompenzuje absenci digitálního výstupu u toho akcelerometru. Mezi další firmy na poli akcelerometrů patří např. DELPHI, Kionix,!ICSensors, Honeywell. Mezi další mnohem dražší akceleromerty patří např. elektromechanické a rezonanční akcelerometry. Kromě pro nás nepřijatelně vysoké ceny mají elektromechanické akcelerometry navíc příliš velké rozměry. Po prozkoumání nabídky akcelerometrů musím tedy konstatovat, že pokud máme použít akcelerometr pro navigaci všesměrového robota, pak je ADXL202E dobrou volbou. 3.4 Akcelerometr ADXL202E ADXL202E je dvouosý digitální akcelerometr vyráběný imems technologií a je vylepšenou verzí staršího typu ADXL202AQC/JQC. Mezi jeho základní parametry patří rozsah ±2g (±20m/s2), nízká spotřeba a cena. ADXL202E je určen jak pro měření dynamických zrychlení (např. vibrací) tak pro měření statických zrychlení (např. gravitačního zrychlení). 15

Akcelerometr má jak analogový tak i digitální výstup. Digitálním výstupem akcelerometru pro každou z navzájem kolmých os je signál jehož střída (poměr mezi šířkou pulsu a periodou signálu) je lineárně úměrná zrychlení (PWM - Pulse Width Modulated) v dané ose. Tyto výstupní signály mohou být měřeny přímo čítačem mikroprocesoru, takže není třeba dalších obvodů (A/D převodník). Perioda PWM signálu je nastavitelné od 0,5 do 10 ms (tj. 0,1 až 2 khz) pomocí hodnoty externího rezistoru (RSET). Při použití analogového výstupu je možno použít výstupy XFILT a YFILT nebo můžeme na digitální výstupy připojit filtry a analogový signál rekonstruovat. Šířka pásma ADXL202E může být nastavena od 0,01Hz do 6kHz pomocí kondenzátorů CX a CY. Typická úroveň šumu 200mg / Hz dovoluje rozpoznání signálů s minimální úrovní 2 mg při šířce pásma do 60Hz. ADXL202 je vyroben imems technologií. Integrace mechanicky citlivých částí a elektronických obvodů pro zpracování signálů na jednom kousku křemíku tak umožňuje dosáhnout uváděných výhod (cena, parametry, velikost, kvalita a spolehlivost). Výrobce akcelerometru je firma Analog Devices, Inc. 3.5 ANALOG DEVICES, INC. A imems TECHNOLOGIE Firma Analog Devices, Inc. (dále jen ADI) je přední výrobce integrovaných obvodů pro analogové i digitální aplikace v oblasti zpracování signálů. Sídlo firmy se nachází V USA ve městě Norwood (stát Massachusetts). Firma zaměstnává 8800 lidí a má výrobní závody v USA (Massachusetts, California, North Carolina), Irsku, na Filipínách, Taiwanu a ve Velké Británii. ADI je průkopníkem v oblasti mikromechanických integrovaných obvodů (micromachined IC). V roce 1991 vyrobila první vzorky akcelerometrů technologií imems. S prodejem začala v roce 1993 a v září roku 2002 oznámila prodej 100 miliontého kusu imems akcelerometru. Svou vedoucí pozici na poli imems obvodů potvrzuje také její 50% podíl na trhu s akcelerometry pro airbagy v automobilovém průmyslu, kde imems akcelerometry vyhovují náročným požadavků na kvalitu a bezpečnost (chybovost výroby čipů se pohybuje v jednotkách PPM), životnost (minimálně 15 let) a 100% dodržení dodacích lhůt. 16

Důkazem jejího náskoku v oblasti imems je také jediný komerčně dostupný imems gyroskop. ADI má registrováno více než 50 patentů v oblasti imems a u mnoha dalších čeká na jejich schválení. Divize Mikromachined Products, Analog Devices má pět set lidí, tři vývojová centra a tři výrobní místa zaměřená na imems produkty. Pokrok a velký objem výroby Analog Devices automobilových čidel nárazu pro airbagy umožnil další slibný vývoj senzorů zrychlení pro jiné aplikace a to především kvůli dobrým parametrům a nízké ceně. V automobilovém průmyslu patří do těchto jiných oblastí senzory: bočního nárazu, odbočení, převrácení, stability, navigační, detekce vibrací a přetížení (převoz křehkých zásilek), pro inerciální brzdové systémy a pro automobilové alarmy. Díky své cenové výhodnosti, obecné použitelnosti a hotovému řešení snímání pohybu umožňují imems senzory zrychlení další rozvoj spotřebních a průmyslových aplikací. Zjednodušují, zlepšují a zlevňují monitorování vibrací u počítačových komponent (pevné disky, základní desky) a u průmyslových strojů a zařízení, detekci zemětřesení, rozpoznávání pohybu pro zařízení do ruky (handheld devices), korekci obrazu při náklonu LCD projektorů, systémy chránící přenosné počítače, automobily a další zařízení proti odcizení. Umožňují také nové použití v oblasti audio techniky u aktivních subwooferů, v nových generacích chytrých domácích spotřebičů, v osobních navigačních systémech počítačů nošených na těle, v ovládacích zařízeních pro hráče počítačových her, v hračkách, v elektronice pro zvýšení bezpečnosti a zdraví a pro trénink sportovců (krokoměry, monitorování spotřeby kalorií lidským organizmem), v pomůckách pro výuku na školách, atd. 3.6 STRUKTURA AKCELEROMETRU ADXL202E Základ samotného senzoru akcelerometru - destička čtvercového tvaru z polykrystalického křemíku se 40 zuby na každé ze svých čtyř stran tvoří seismickou hmotnost m. Destička senzoru je zakotvena pružnými prvky ve svých rozích k monokrystalickému křemíkovému substrátu. Okolo senzoru jsou obvody pro úpravu signálu a výstupní obvody. Každý z 80 zubů senzoru pro každou z os X a Y představuje střední pohyblivou elektrodu soustavy stejného počtu diferenčních kapacitních kondenzátorů s proměnnou vzduchovou mezerou. Pohyblivé elektrody jsou tedy pevně spojeny s destičkou senzoru (seismickou hmotností m) a pevné elektrody jsou pevně spojeny s podložkou z monokrystalického křemíkového substrátu. Při působení zrychlení dojde k deformaci pružných prvků a změně diferenční kapacity kondenzátorů. 17

Kapacita mezi pohybujícím se zubem, který je pevně spojen s destičkou senzoru a jednou pevnou elektrodou je úměrná ploše překrytí a vzdáleností mezi zubem a elektrodou. Protože chceme dosáhnout čím jak nejmenšího šumu a čím jak největšího rozlišení senzoru musíme dosáhnout tak velkou kapacitu jednoho diferenčního kondenzátoru jak je to jen možné. Rozměry pohyblivých elektrod kondenzátoru jsou však omezeny možnostmi výroby. Výška je dána přesně a to hodnotou 2 mm, zatímco délka překrytí elektrod je omezené hranicí asi 125 mm. Větší délka zubů (pohyblivé elektrody) není možná, důvodem je hlavně mnohem více náročnější výroba, což by se velmi nepříznivě promítlo do výsledné ceny. Pohyblivá destička senzoru je uchycena ve svých rozích polykřemíkovými pružnými prvky a tím je také kontrolován její pohyb. Tyto pružné prvky a pohyblivá destička senzoru se řídí fyzikálními zákony, které známe ze střední školy. Síla (F) působící na hmotnost (m) vyvolává její zrychlení (a), podle druhého Newtonova pohybového zákona se F = m a. Pohyb (x) omezujících pružných prvků (podle Hookova zákona) je úměrný působící síle, F = k x. Z toho vyplývá, že x = ( m / k ) a. V této rovnici můžeme ovlivnit pouze dva parametry, hmotnost (m) a konstantu tlumení (k). Snížení hodnoty konstanty tlumení se jeví jako jednoduchá cesta jak zvýšit citlivost. Bohužel, jak je obvyklé, nic není zadarmo. Rezonanční frekvence pohyblivé destičky senzoru je úměrná právě této konstantě tlumení. Navíc větší konstanta tlumení zvyšuje také odolnost senzoru proti přetížení (schopnost přežít větší nárazy ). Pokud tedy zanecháme tlumící konstantu tak velkou jak je to jen možné zůstane nám jediný parametr a tou je zmiňovaná hmotnost. Zvětšení hmotnosti však zvětšuje také plochu senzoru. Rozlišení akcelerometru je však důležitější než jeho malé rozměry. U jiných akcelerometrů (např. ADXL250) bylo použity dvě samostatné pohyblivé destičky pro každou z os X a Y. U ADXL202 byla navržena nová struktura. Zuby, které představují X a Y diferenční kondenzátory jsou integrovány podél stran jediné čtvercové pohyblivé destičky. Toto uspořádání zmenšuje plochu čipu i přestože zvyšuje rozlišení ADXL202. Senzor je vyráběn standardní technologií výroby křemíkových integrovaných obvodů a díky tomu je dostupný za nízkou cenu. Je použito standardní technologie, tedy kombinace vrstev polykrystalického křemíku a kysličníku (oxide). Poté je použita fotolitografie a selektivně je vyleptán senzor tvořený 3-rozměrnou strukturou zavěšenou nad podložkou tak, aby se mohl hýbat ve všech potřebných směrech. V okolí senzoru jsou vytvořeny elektronické obvody. 18

U starších typů akcelerometrů (např. ADXL50) bylo použito měření se zpětnou vazbou. Výstupní napětí demodulátoru bylo přivedeno na střední pohyblivou elektrodu a vyvolávalo elektrostatický zpětnovazební silový účinek, vyvažující působení měřeného zrychlení. U ADXL202 však měřící obvody pracují bez zpětné vazby (otevřená smyčka). 3.7 ZAPOJENÍ A POUŽITÍ AKCELEROMETRU ADXL202E U ADXL202 jsou pevné elektrody diferenčních kondenzátorů napájeny navzájem invertovaným obdélníkovým napětím. Působením zrychlení dochází k rozvážení kapacity diferenčních kondenzátorů což má za následek změnu obdélníkového napětí jehož amplituda je úměrná zrychlení. K vylepšení signálu a rozpoznání směru zrychlení (kladný nebo záporný) využívá demodulátor fázově citlivé demodulační techniky. Výstup demodulátoru řídí stupeň pulsně šířkové modulace (PWM) přes rezistor s hodnotou 32kW. Za tímto rezistorem jsou dostupné pro každou z os vývody (XFILT a YFILT) pro připojení externích kondenzátorů (CX a CY), které umožňuje nastavit požadovanou šířku pásma akcelerometru (F-3 db = 5 mf / C(X,Y)). Tato filtrace pomocí dolní propusti potlačuje šum a aliasing efekt. Za touto dolní propustí je analogový signál převeden pomocí pulsně šířkového modulátoru na digitální. Jedním externím rezistorem RSET je nastavena perioda (T2) na požadovanou hodnotu od 0,5 ms do 10 ms, T2 = RSET (W) / 125 MW. Zrychlení 0 g odpovídá úroveň modulace 50 %, hodnotě 1 g odpovídá změna této úrovně modulace o 12,5 %. Hodnotu zrychlení je možno vypočítat z úrovně modulace, tedy z hodnot T2 (perioda) a T1 (šířka impulsu). Digitální výstupy XOUT a YOUT připojíme k mikroprocesoru na jeho vstupy čítač/časovač nebo vstupy pro externí přerušení, což nám umožní měřit mikroprocesorem hodnoty T1 a T2 a vypočítat hodnotu zrychlení. Vývod VDD akcelerometru slouží k jeho napájení (3V až 5,25V), vývod COM je společný vývod pro zem. Mezi vývody VDD a COM je nutné připojit filtrační kondenzátor CDC (decoupling capacitor) s hodnotou 0,1 mf. V některých případech, hlavně pokud akcelerometr sdílí napájení s některým digitálním zařízením (např. mikroprocesorem), může docházet k rušení, které se projeví na výstupu akcelerometru. Na vývodech XFILT a YFILT pak můžeme 19

sledovat pomalé zvlnění napětí. Pokud chceme tento efekt potlačit je možné připojit napájení přes rezistor s hodnotou 100W (nebo menší) nebo použít malé filtrační feritové jádro. Můžeme říci že pro použití akcelerometru ADXL202E s digitálním výstupem připojeným na mikroprocesor je nutné doplnit obvod ještě externími součástkami CX, CY, RSET, CDC a součástkami, které vyžaduje samotný mikroprocesor (krystal, pull-up rezistory a filtrační kondenzátory) a dostaneme hardwarovou část pro měření zrychlení resp. vibrací. Pokud na vstupní vývod přivedeme napájecí napětí VDD, pak začne uvnitř senzoru působit elektrostatická síla, která simuluje zrychlení a vyvolá změnu úrovně modulace asi o 10%, což odpovídá zrychlení asi 800mg. Můžeme tak zjistit zda akcelerometr reaguje na zrychlení, tj. zda nedošlo k jeho poškození (např. slepení pevné elektrody s pohyblivou vlivem velkého nárazu). Pokud nechceme tento vývod použít, může zůstat nezapojen nebo jej můžeme připojit k vývodu pro zem COM. Na WWW stránkách firmy Analog Devices najdeme mnoho aplikačních listů k akcelerometru ADXL202 a v nich další informace o použití, výpočtu hodnot externích součástek, aplikační poznámky, ukázky programového kódu pro nejrůznější mikroprocesory, návod k snížení spotřeby na minimum atd. Tyto aspekty nebudeme dále rozebírat. Protože však rozlišení a šířka pásma jsou důležité parametry a u ADXL202 spolu úzce souvisí je nutné se o nich zmínit. 3.8 Akcelerometr LIS3LV02DQ Popis senzoru LIS3LV02DQ je tříosý lineární akcelerometr s digitálním výstupem vyrobený MEMS technologií, který obsahuje senzorovou část a rozhraní pro komunikaci senzorové části a okolí pomocí sériového I2C nebo SPI na jednom integrovaném obvodu. Rozhraní I2C je vyráběno za pomocí CMOS procesu, který umožní vysokou úroveň integrace designu a jedinečný obvod který je v továrně seřízen na nejlepší možnou charakteristiku senzoru. LIS3LV02DQ má uživatelem plně volitelný rozsah ±2g nebo ± 6g a je schopen měření zrychlení v šířce pásma 640 Hz pro všechny osy. Šířka pásma může být upravena podle daného využití v aplikaci. Self-test umožňuje jednoduše uživateli zjistit funkčnost systému. Zařízení může být nastaveno ke generování inerciálního wake-up nebo free-fall přerušovacího signálu, když je překročena naprogramovaná hranice zrychlení v jedné nebo více ze tří os akcelerometru. 20

LIS3LV02DQ je dostupný v plastické SMD pouzdru a jeho rozsah teplotního použití udává výrobce od -40 C do +85 C. Tento senzor patří do skupiny produktů vhodných v různých aplikacích: detekce volného pádu, aktivační pohybová funkce v přenosných terminálech, zabezpečovací systémy, inerciální navigace, měření vibrací, herní průmysl a zařízení pro virtuální realitu. Struktura akcelerometru LIS3LV02DQ LIS3L02DQ je low-cost senzor v plastické pouzdru Quad Flat No-Lead(QFN) vyráběný technologií umožňující realizovat pružné silikonové struktury, které jsou připojeny na podložku v několika bodech nazvaných kotvami a volně se pohybující v rovině paralelní k substrátu. Z důvodu kompatibility s tradičními pouzdry je citlivá část umístěna na horní část senzoru, aby se zabránilo blokování pohyblivé části během výrobního procesu plastického pouzdra. Při aplikaci lineárního zrychlení, zkouškou vychýlením senzorické části z klidové pozice, dojde k rozvážení kapacitního půl můstku. Toto rozvážení je měřeno za pomoci nábojové integrace jako odezva na napěťové pulsy z citlivého kapacitoru. Nominální hodnota kapacitorů v ustálené poloze je v rozmezí několika pf a když působí zrychlení tak maximální změna kapacity vzroste o 100fF. obr. 4.5 Blokové schéma senzoru 21

Měřící rozhraní integrovaného obvodu je založeno na standardním CMOS procesu zaručující vysokou úroveň integrace. Celý měřící řetězec je složen ze zesilovačů s nízkým šumem, které převádějí nestabilní kapacitu z MEMS senzoru na analogové napětí a tří ΣΔ A/D převodníků, jeden pro každou osu, které převádějí produkovaný signál na digitální. Převodníky ΣΔ jsou úzce spojeny s rekonstrukčními filtry, které odstraňují vysoké frekvence šumu při kvantování a zaručují jeho nízkou hodnotu a velké rozlišení digitálních slov. Nábojový zesilovač a ΣΔ převodníky jsou provozovány v tomto pořadí na 107.5 khz a 35.8 khz. Rozsah dat na výstupu je závislý při rekontrukci na uživatelem vybraným decimation faktoru a je v rozsahu od 280 Hz do 4480 Hz. K měřeným datům je možné přistupovat pomocí I2C nebo SPI rozhraní, které činí senzor mimořádně vhodným pro přímé připojení k mikrokontorléru. LIS3L02DQ je význačný Data-Ready signálem, který indikuje nově dostupná naměřená data s informací o akceleraci a tak zjednodušuje synchronizaci v digitálním systému. LIS3L02DQ může být také nakonfigurován ke generování Wake-up signálu přerušení podle naprogramované úrovně zrychlení v dané ose. 4 Gyroskopy Gyroskopy jsou snímače, které se používají k stanovení úhlové rychlosti a natočení. Gyroskopy lze rozdělit dle použitého fyzikálního principu na tyto skupiny : Mechanické Kvantové Jaderné Elektrické Optické 4.1.1 Mechanický gyroskop (Gyroteodolit) Gyroteodolit je přístroj k přímému určování azimutů zvolených směrů. Gyroskop je těleso tvaru kovového prstence, nebo kovové desky rychle rotující kolem osy na toto těleso kolmé. Není-li gyroskop ovlivněn vnějšími silami, udržuje jeho rotační osa v prostoru stálý směr. Pokud je setrvačník umístěn na povrchu Země, je unášen spolu s rotující Zemí, a tím se 22

obecně mění směr jeho rotační osy. Setrvačník na to reaguje tak, že se snaží srovnat svou rotační osu s rotační osou Země. Stabilizovaný setrvačník svou osou ukazuje k severu a vytyčuje tak jedno rameno azimutu. Gyroskop na rozdíl od kompasu nereaguje na blízkost železných předmětů a vysokého napětí. Obr. 3-4 Klasický mechanický gyroskop 4.1.2 Kvantový gyroskop Patří mezi zvláštní případy gyroteodolitů, nevyužívá vlastností setrvačné hmoty, ale vlastností atomových jader. 4.1.3 Jaderný gyroskop Využívá principu jaderného paramagnetismu látek (voda, organické roztoky, helium, páry rtuti). Atomy nebo molekuly těchto látek mají v základním stavu magnetický moment daný spiny (vlastní moment hybnosti) jader. Orientujeme-li magnetické momenty jader magnetickým polem a potom pole zrušíme, pak nepůsobí-li jiné magnetické pole, zachová si výsledný magnetický moment po jistou dobu svoji prostorovou orientaci, nezávisle na změny polohy zařízení obsahujícího látku. Hodnota výsledného magnetického momentu bude v důsledku relaxace postupně klesat. Proto se pro jaderné gyroskopy volí látky s velkými relaxačními časy. 4.1.4 MEMS gyroskopy 23

Stejně jako v případě MEMS akcelerometrů obsahují MEMS gyroskopy mimo samotného snímače i celou škálu vyhodnocovacích, řídicích obvodů a logiky. Výstupní signál je pak analogový nebo digitální. Rotaci je možné typicky měřit vzhledem k jedné ze tří os z, y, x. Gyroskopy vyráběné jako integrované MEMS obvody pracující na principu Coriolisovy síly, umějí měřit pouze v jednom směru, a to je směr kolmý na plochu obvodu. Pro jiné směry je nutné zajistit správné natočení a umístění součástky. Coriolisova síla je takzvaná virtuální síla, která působí na libovolný hmotný objekt, či předmět, který se pohybuje rychlostí vr v soustavě, která rotuje kolem osy úhlovou rychlostí ω. Coriolisova síla působí na každý hmotný objekt na zemi. F = mv ω. (3. 2) m hmotnost ( kg ) v rychlost ( m. s -1 ) ω úhlová rychlost (rad. s -1 ) Obr. 3.4.4 Příklad funkce struktury snímače gyroskopu při rotaci. Provedení samotného MEMS snímače vypadá tak, že základ tvoří rezonující struktura upevněná v rámu, která se vlivem vlastní mechanické rezonance, zde reprezentované pružinami, pohybuje v uvedeném směru kolmém na směr otáčení (Obr. 3.4.4). Přitom vzniká Coriolisova síla úměrná úhlové rychlosti otáčení, která stlačí vnější pružiny rámu a způsobí vzájemný posuv měřících plošek, které mají funkci elektrod vzduchových kondenzátorů. Výstupem je tedy změna kapacity úměrná úhlové rychlosti. Stejného účinku se pak využívá i v mechanických gyroskopech. Zde při pohybu objektu, upevněného na pružinách uvnitř rámu, 24

směrem ven, působí na něho Coriolisova síla směrem doleva, při opačném směru pohybu objektu pak působí směrem doprava. Protože velikost a směr této síly je úměrný i velikosti úhlové rychlosti a směru otáčení, lze tento systém s úspěchem využít pro jejich měření. 4.1.5 Optické gyroskopy Optické gyroskopy jsou založeny na principu Sagnacova jevu, kdy při rotaci kruhového vlnovodu úhlovou rychlostí Ω, v němž proti sobě obíhají dva světelné svazky (paprsky), je obvodová rychlost svazku ve směru Ω zvyšována, a pro opačný směr snižována o hodnotu v = Ω R, tj. o obvodovou rychlost rotace vlnovodu. Optické gyroskopy lze rozdělit na dva druhy: Laserový - při rotaci dochází na optické dráze inerferometru ke změně frekvence Vláknový - při rotaci dochází na optické dráze interferometru k fázovému posunu [5] 3.4.6 Gyroskop ADXRS300 Jedná se o imems (integrated micro electro-mechanical system) gyroskop z nabídky firmy Analog Devices ADXRS300. Jak již jeho název napovídá, jeho rozsah je ±300 /s. Tento obvod má integrovaný nejen vlastní snímač, ale i vyhodnocovací a řídící části. Blokové schéma senzoru je na obrázku 3.4.6. včetně externích součástek. Tyto gyroskopy jsou vyráběny v BGA pouzdrech s rozměry 7 x 7 x 3 mm. Jádrem obvodu je samotný snímač (Rate Sensor), na který jsou "navěšeny" rezonanční obvody (Resonator Loop) pro generování pohybu snímače, obvody zpracování výstupního signálu snímače (Coriolis signal channel), testovací obvody (Self-test), obvody nábojové pumpy pro generování napětí pro rezonanční obvody, interní teplotní senzor a obvody referenčního zdroje napětí. 25

obr. 3.4.6 Blokové schéma gyroskopu ADXRS300 Strukturu samotného snímače gyroskopu tvoří dva čtvercové polykřemíkové rámy (inner frame), každý obsahující rezonanční strukturu (resonating mass) zajišťující nutnou pohybovou složku k vytvoření Coriolisovy síly (drive direction). Pohyb tohoto pružně upevněného meandru je zajišťován rezonančními piezoelektrickými budícími obvody, které jej přivedou do oblasti vlastní mechanické rezonance na frekvenci 14 khz. Při otáčení součástky kolem jejího středu je tak působící Coriolisova síla převáděna na změnu kapacity prostřednictvím změny vzdálenosti mnoha elektrod po stranách snímače (Coriolis Sense Fingers). Struktura je duální z důvodu potlačení vlivu nežádoucích externích rezonancí a nárazových šoků obvodu, které se na výstupu obvodu projevují jako nežádoucí šum. obr. 3.4.6.1 Výstupní napěťová závislost na rotaci gyroskopu 26

Z pohledu elektrických vlastností a rozhraní jsou obvody řady ADXRSxxx vybaveny analogovým výstupem na pinu RATEOUT, který dává lineární napětí v rozsahu 0.25 až 4.75 V přímo úměrné měřenému úhlovému zrychlení. 5 Magnetometry Magnetometry jsou zařízení, která měří velikost a směr magnetického pole. Předmětem zájmu v robotice pro navigaci jsou ty magnetometry, které jsou schopné měřit magnetické pole Země (geomagnetické pole). Velikost magnetického pole je charakterizována tzv. magnetickou indukcí (nazýváno také magnetický indukční tok), které je vyjadřováno v jednotkách Tesla, alternativními jednotkami jsou Gauss, nebo γ [6]. Geomagnetické pole může být reprezentováno jako magnetický dipól, který je proměnlivý jak v čase, tak v prostoru. Sklon dipólu je asi o 11 odkloněný od osy otáčení Země. Rozdíl mezi pravým severem a magnetickým severem je tzv. magnetická deklinace a liší se jak v čase, tak s geografickou polohou [6]. Magnetometr měřící geomagnetické pole je citlivý na okolní rušivá magnetická pole. Chyba způsobená těmito rušivými vlivy se nazývá odchylka kompasu. Abychom dostali správnou hodnotu směru pravého severu, musíme ke změřené hodnotě přičíst kompenzaci deklinace a také odchylky. Hodnoty magnetické deklinace jsou po celém světě měřeny, aby byly dostupné pro navigaci. Magnetometry měřící geomagnetické pole Země mohou být rozděleny do následujících kategorií [6]: Mechanický magnetický kompas Indukční kompas Hallův kompas Magnetorezistivní kompas Magnetoelastický kompas 27

5.1 Magnetické pole Země Magnetické pole Země je fyzikální veličina, kterou vyhodnocuje kompas k určení azimutu. Síla tohoto pole není na všech místech Zemského povrchu stejná, pohybuje se mezi 20 μt na geomagnetickém rovníku a 50 μt na geomagnetických pólech. Pro představení můžeme znázornit magnetické pole Země jako dipól, který je zobrazen na obrázku 3.5.1, jehož osa kolísá v čase a prostoru (obr. 3.5.1.2) někde kolem 440 kilometrů od středu a 11,5 stupně od osy rotace naší planety Země. Magnetické siločáry směřují od jižního (south) k severnímu (north) geomagnetickému pólu. Geomagnetické póly jsou však umístěny kvůli shodnosti s geografickými póly opačně než póly dipólu. Obr. 3.5.1 Pro přiblížení jednotlivých termínů používaných v této oblasti je využit obrázek 3.5.1.2 znázorňující jednotlivé složky magnetického pole(horizontální, vertikální), úhly azimut, declination a inclination. Horizontální osa X (heading direction) ukazuje směrem pohybu. Osa Y je též horizontální a je kolmá k ose X a též k ose Z, která má směr gravitační síly. Vektor Heh je též horizontální složka a je kolmá na gravitační sílu a směřuje k magnetickému severu Země. Složka He zobrazuje celkovou intenzitu a směr magnetického pole Země. Azimut α je úhel mezi směrem pohybu zařízení a magnetickým severem a je ho možné vypočítat jako arctan(hey/hex), kde Hey je horizontální složka v ose Y a Hex je horizontální složka v ose X. 28

Declination vyjadřuje úhel mezi vektorem složky magnetického pole a směrem ukazujícím skutečný geografický sever, jeho velikost je závislá na geografické poloze a pohybuje se v rozmezí ± 25 stupňů. Pro informaci mezi skutečným geografickým severem a směrem pohybu je třeba k azimutu přičíst velikost úhlu declination. Úhel mezi vektorem magnetického pole Země a vektorem horizontální složky se nazývá inclination. Inclination je na geomagnetickém rovníku roven nule a na geomagnetických pólech je roven ± 90 stupňů. Jelikož úhly inclination a declination se s časem a geografickou polohou mění, jsou vydávány korekční tabulky, které jsou tisknuty přímo na mapách pro danou polohu[6]. obr. 3.5.1.2 Složky magnetického pole 5.2 Mechanický kompas Mechanický magnetický kompas je nejdéle používány z výše uvedených zařízení. Skládá se obvykle ze dvou tyčových magnetů připevněných na disku, který plave ve vodě nebo v alkoholu. Okolo magnetu je kruh opatřený stupnicí. Celé zařízení je umístěno ve vhodném obalu [6]. 29

5.3 Indukční kompas Základní princip indukčního kompasu spočívá v řízené změně permeability magnetického materiálu, čímž se mění pohlcování magnetických indukčních čar vnějšího magnetického pole. Princip pohlcování magnetických indukčních čar je znázorněn na obrázku 3.5.3. Permeabilita materiálu se mění excitační cívkou. Mezi vztahem magnetické indukce a intenzitou magnetického pole platí následující vztah [6]: B = µ0µr H (3.5) kde je B - magnetická indukce µ0 - permeabilita vakua µr - relativní permeabilita H - intenzita magnetického pole Obr. 3.5.3 Ovlivňování magnetických indukčních čar materiály s různou permeabilitou. Zdroj: BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and 30

Methods for Mobile Robot Positioning [online]. Dostupné na < ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf > Pokud tedy budeme pomocí excitační cívky měnit magnetický indukční tok po magnetizační křivce materiálu, je zřejmé, že v oblasti saturace bude relativní permeabilita materiálu nejmenší. V tomto případě nebudou magnetické indukční čáry vnějšího magnetického pole téměř ovlivněny, jak je znázorněno v pravé části obrázku 3.5.3. Naopak, pokud materiál nebude v oblasti nasycení, bude jeho permeabilita vyšší. Potom budou indukční čáry vnějšího magnetického pole pohlcovány tímto materiálem, jak je znázorněno v levé části obrázku 3.5.3. Se změnou permeability se tedy bude měnit magnetický tok materiálem vyvolaný vnějším magnetickým polem. Tato změna pak indukuje ve snímací cívce odpovídající elektrické napětí, které je měřeno. Je zřejmé, že v uspořádání, které je na obrázku 3.5.3.1, by napětí na snímací cívce bylo vyvoláno nejen změnou magnetického toku vnějšího pole, ale také změnou magnetického toku vyvolaného excitační cívkou. Proto existují různá uspořádání celé struktury tak, aby vzájemná vazba mezi excitační cívkou (cívkami) a snímací cívkou byla co nejvíce potlačena [6]. Jedno z možných uspořádání indukčního kompasu je na obrázku 3.5.3.1. Kompas se skládá ze tří cívek, dvou vnitřních excitačních cívek a vnější snímací cívky. Vnitřní cívky jsou orientovány v opačném smyslu a změny magnetického pole vyvolané při změnách permeability se navzájem vyruší a nemají vliv na snímací cívku. 31

Obr. 3.5.3.1. Možné uspořádání indukčního kompasu Zdroj: BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning [online]. Dostupné na < ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf 5.4 Hallův kompas Hallův kompas využívá Hallova efektu. Pokud je polovodič protékaný proudem umístěn do magnetického pole, působí na elektrony tzv. Lorentzova síla. Pro velikost této síly platí následující vztah [6]: F = Q(v B) (3.5.4) kde je F - síla Q - náboj v rychlost 32

V důsledku této síly (pokud vektor magnetické indukce nebude rovnoběžný s vektorem rychlosti elektronů) se elektrony začnou přesunovat k jednomu okraji destičky. Tím vznikne v destičce nerovnováha náboje, protilehlé okraje budou mít rozdílný potenciál a bude mezi nimi možno naměřit elektrické napětí. Pokud je proud i magnetické pole konstantní, je i napětí neměnné. To je dáno vznikem rovnováhy sil v destičce, kde Lorenzovu sílu kompenzuje opačně orientovaná síla vzniklého elektrického pole. Vzniklé napětí je přes materiálovou konstantu přímo úměrné Lorenzově síle. Součin velikosti náboje a jeho rychlosti lze vyjádřit jako proud. Velikost Hallova napětí lze zapsat pomocí následujícího vztahu [7]. Vh= K I B sinθ (3.5.5) kde je Vh - Hallovo napětí K - materiálová konstanta I proud θ - velikost úhlu mezi vektorem magnetické indukce a destičkou polovodiče Velikost Hallova napětí je velmi malá, např. pro křemík je to asi 30 mikrovoltů při magnetickém poli jeden Gauss. Je tedy nutné je zesílit vhodným zesilovačem [6]. Současné provedení Hallových magnetometrů má veškerou vyhodnocovací elektroniku integrovanou na jednom čipu. Snímače se vyrábějí v jednoosém dvouosém, nebo trojosém provedení. Výstupem může být buď analogový napěťový signál, nebo digitalizovaný údaj [8]. 33

5.5 Magnetorezistivní kompas Magnetorezistivní magnetometr využívá vlastnosti feromagnetických materiálů, jejichž odpor je závislý na velikost a směru magnetického pole. Existují dva druhy těchto senzorů [2]: AMR (anizotropic magnetoresistive) senzory GMR (giant magnetoresistive) senzory Pro výrobu kompasů se používají AMR senzory. Mají vysokou citlivost (až 10 krát větší než Hallův senzor), malou spotřebu energie. Nevýhodou je to, že v silném magnetickém poli se může změnit jejich charakteristika. Proti tomu se používá periodické přemagnetování. 5.6 Magnetometr KMZ51 Ke konstrukci elektronických kompasů je ve velké většině především levnějších kompasů využíváno senzorů, které měří malé magnetické pole Země, resp. jeho horizontální složku. Jelikož pro určení azimutu je třeba znát horizontální složky pole, jak již bylo zmíněno výše. Senzory pro měření magnetického pole vyrábí více výrobců v různých provedeních (integrace více os do jednoho pouzdra) například Philips a Honeywell. KMZ51 je velice citlivý magnetometr, založený na magnetorezistivním jevu v tenké vrstvě magnetického materiálu (permalloy). V pouzdře senzoru je umístěn magnerorezistivní Wheatsonův můstek a také kompenzační a nastavovací (set/reset) cívky. Jedna kompenzační cívka je určena ke kompenzaci teplotní závislosti. Znaménko citlivosti může být nastaveno nebo měněno pomocí nastavovací cívky. Pokud byl magnetometr umístěn v silném magnetickém poli, pak můžeme krátkými proudovými impulsy do kompenzační cívky magnetometr znovu nastavit. Záporné proudové reset pulsy nastaví senzor na citlivost s opačným znaménkem. Použitím pravidelně střídajících se flipping pulsů a synchronního zesilovače dosáhneme nezávislosti na offsetu senzoru a zesilovače. 34

obr.3.5.6 Magnetorezistivní efekt v permalloy obr 3.5.6.1 Konfigurace můstku 35

6 Literatura [1] ŠOLC, František; Žalud Luděk. Robotika. Brno VUTIUM, 2006, 144 stran [2] LACHNIT Zdeněk. Inerciální snímače pro zpřesňování orometrie mobilních robotů, Brno 2007, 53 stran [3] BORENSTEIN, J., EVERET, H., FENG, L. Where am I? Sensors and Methods for Mobile Robot Positioning [online]. c1996 [cit. 2011-03-28]. ftp://www.eecs.umich.edu/people/johannb/pos96rep.pdf [4] RIPKA, P., ĎAĎO, S.: Senzory a převodníky. Praha: Česká technika nakladatelství ČVUT, 2005. 136 s. ISBN 80-01-03123-3. [5] Honeywell Sensing and Contro http://rccv.vsb.cz/kurzy_ukazka/d1_02/murc/10.htm 36