Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Trzeba się orientować: praktyczne metody aplikacji sensorów MEMS

ghost666 10 Paź 2014 12:37 3426 0
  • Abstrakt:Rozmieszczenie elementów na PCB i sposób ich montażu mogą w istotny sposób wpłynąć na działanie sensorów MEMS. W poniższej nocie aplikacyjnej omówione zostaną praktyczne aspekty montażu i rozmieszczenia sensorów na płytce drukowanej w celu maksymalizacji ich użyteczności w świecie rzeczywistym, w którym oprócz mierzonych przez sensor sygnałów obecne są także sygnału tła, takie jak pochodzące od poruszających się pojazdów wibracje czy rezonanse własne samego urządzenia. Omówione zostanie to jak rozmieszczać układy na PCB, jakie są źródła niepożądanych sygnałów na PCB i jakie polecane są metody montażu elementu MEMS do płytki drukowanej

    Wstęp

    Dzieci i psy bez problemu orientują się w trójwymiarowej przestrzeni i kontrolują swoje ruchy podczas gimnastyki i zabaw. Niektórzy pomyśleć mogą iż jest to proste niczym przysłowiowa "dziecinna igraszka", a przynajmniej mogą tak myśleć dopóki nie spróbują zbudować robota który będzie robił dokładnie to samo. Ludzki system orientacji w przestrzeni jest wspaniałym i niezwykle skomplikowanym systemem i doskonale radzi sobie z orientacją w przestrzeni gdy spoczywamy na ziemi. Z drugiej strony, gdy lecimy samolotem, umieszczeni jesteśmy w środowisku dosyć obcym, bo w pełni trójwymiarowym, dla naszych organizmów. To, w połączeniu z ograniczeniem wzroku przez kadłub samolotu, sprawia iż orientacja w przestrzeni jest poważnie utrudniona czy wręcz niemożliwa. Pomiędzy 5% a 10% wszystkich wypadków w lotnictwie wynika właśnie z utrudnionej orientacji w przestrzeni. 90% tych wypadków jest śmiertelnych.

    Trzeba się orientować: praktyczne metody aplikacji sensorów MEMS


    Sensory mikroelektromechaniczne (MEMS) pozwalające na pomiar przyspieszenia w poruszających się systemach. Sensory te mierzą i przetwarzają przyspieszenie liniowe, ale nie tylko. Zdolne są także do pomiaru kierunku pola magnetycznego Ziemi, wysokości i przyspieszeń kątowych. Aby w pełni wykorzystać oferowane przez te, tak zwane, sensory inercjalne, możliwości, projektanci układów muszą rozważać układ także pod kątem mechanicznym, zwracając baczną uwagę na źródła ruchu w systemie i jego rezonanse własne.

    W poniższym artykule omówione zostanie jak sensory inercyjne wykonane w technologii MEMS, to jest żyroskopy, akcelerometry itp, są w stanie pomóc w orientacji w przestrzeni. Wytłumaczone zostanie jak ruch i zewnętrzne siły wpływają na działanie systemu opartego o sensor inercjalny i jak rozmieszczenie elementów na PCB i sposób ich montażu wpływają na parametry układów MEMS. Z uwagi na wiele parametrów systemu - między innymi wielkość płytki, materiał z jakiego ją wykonano itp - projektanci muszą stosować unikalne rozwiązania dla każdego projektowanego układu. W artykule zostanie opisane jak to zrealizować, między innymi poprzez rozpoznawanie i korekcję błędnych wyników pomiarów. Zaprezentowane zostanie praktyczne podejście do systemu wyposażonego w sensory MEMS, które pozwoli na uzyskanie możliwie dobrych parametrów w rzeczywistej aplikacji w obecności rozmaitych rezonansów i zakłóceń.

    Zrozumieć metody orientacji w przestrzeni na ludzki sposób

    Rozpocznijmy analizę od omówienia równowagi. Rozważmy ludzkie uchi. Na rysunku poniżej pokazany jest schemat ludzkiego aparatu słuchu i orientacji w przestrzeni. Ślimak (ang. cochlea) to organ pozwalający nam na słyszenie. Membrana bębenka przekazuje wibracje powietrza - dźwięk - poprzez system niewielkich kości do ślimaka. Zawiera on w sobie niewielkie włoski i jest wypełniony płynem. Wraz z wibracjami ślimaka poruszają się włoski czuciowe w środku i wysyłają impulsy nerwowe do mózgu, gdzie interpretowane są one jako dźwięk.

    Trzeba się orientować: praktyczne metody aplikacji sensorów MEMS


    Ludzkie ucho zawiera w sobie także system detekcji ruchu, pozwalający nam zachować równowagę. Trzy półkoliste kanały w naszym uchu zachowują się podobnie jak analogiczny układ żyroskopów. Wykrywają one i przekazują do mózgu położenie równowagi naszego ciała, niestety są one dosyć ograniczone w tym jak wykrywać mogą ruch.

    Jeśli ruch jest wolniejszy niż dwa stopnie na sekundę, ludzki organizm go ignoruje. Jeśli ruch bez przyspieszeń trwa dłużej niż 20..25 sekund, przestajemy go wyczuwać. Te ludzkie ograniczenia często prowadzą do pomyłek. W uchu wewnętrznymi istnieją dwa inne organy czucia: łagiewka (ang. utricule ) która wyczuwa przyspieszenie liniowe oraz woreczek (ang. saccule[/]) który wyczuwa grawitację. Wszystkie pięć organów w naszym uchu pozwalają na zachowanie równowagi naszego ciała, poprzez informowanie mózgu o położeniu naszego ciała i jego ruchu w przestrzeni. Te informacje, wraz z informacjami wizualnymi, dostarczanymi przez oczy, pozwalają na zachowanie równowagi w przestrzeni i skupienie wzroku na jednym punkcie w czasie gdy nasza głowa się porusza lub ciało obraca.

    Piloci i orientacja w przestrzeni podczas ruchu

    Piloci samolotów uczeni są, aby latać nie korzystając z swoich odczuć i zmysłów. Zamiast tego polegać oni mają na instrumentach pokładowych. Jest to niezwykle trudna do nauczenia rzecz, szczególnie w sytuacji awaryjnej i podczas paniki.

    Zgodnie z informacjami FAA (Federal Aviation Administration, ang. [i]Federalna Administracja Awiacyjna
    ) piloci często cierpią na przypadłość nazywaną "cmentarną spiralą". Efekt ten związany jest z ruchem samolotu i powrotem do poziomego lotu po intensjonalnym lub nie, przedłużającym zwrocie kierunku lotu. Na przykład, pilot który skręca maszyną w lewo będzie czuł skręt w lewo, ale po jakimś czasie (około 20 sekundach) jeśli manewr nadal trwa, pilot nie odczuje już tego ruchu. Jeśli w tym momencie pilot spróbuje wypoziomować skrzydła samolotu ruch ten spowoduje odczucie iż samolot skręca w prawo. Jeśli pilotująca maszynę osoba zawierzy swoim zmysłom, przedstawiającym bardzo realne odczucie iluzorycznego ruchu, skręci on znowu w lewo aby przeciwdziałać temu 'skrętowi'. Niestety w całym czasie trwania tego manewru samolot nadal skręca w lewo i traci wysokość. Pociągnięcie drążka do siebie i dodanie mocy na przepustnicy nie jest najlepszym pomysłem podczas skrętu, ponieważ spowoduje to jedynie iż zakręt będzie ciaśniejszy. Jeśli pilot nie spostrzeże że odczuwany ruch jest iluzoryczny i nie wypoziomuje skrzydeł samolot nadal pikować będzie w dół skręcając w lewo. Zakończyć się to może zderzeniem z ziemią.

    Pytanie jest następujące - czy żyroskopy i akcelerometry MEMS mogą pomóc w pokonaniu dezorientacji pilota samolotu w takiej sytuacji?

    Inercjalne sensory MEMS na ratunek

    Ludzkie ciało można łatwo oszukać i w szeregu przypadków człowiek polegać musi na zewnętrznej pomocy w utrzymaniu równowagi. Przy podatności na przestrzenną dezorientację, sensory MEMS zapewniają pewne rozwiązania. Poprawnie zamontowane sensory są w stanie ustalić punkt odniesienia i pomagać w identyfikacji kierunku i/lub ruchu. Wykorzystanie układów tego typu pozwala uzupełnić ludzką, czasami wadliwą, percepcję otoczenia.

    Aby zapewnić niezawodną pracę sensorów inercyjnych konieczny jest poprawny montaż i orientacja tych układów. Istnieje szereg dobrych praktyk, związanych z budową systemów z sensorami inercyjnymi, które, jeśli zastosowane, pozwalają na uzyskanie dobrych parametrów działania systemu.

    Budowa systemu inercyjnego w praktyce

    Kluczowym aspektem jest zrozumienie pewnej zasady - przy obecności wibracji w systemie, sensor nie może być zlokalizowany na PCB w przypadkowy sposób. Oznacza to iż to w jaki sposób i w jakich warunkach sensor montowany na płytce drukowanej, a także jego położenie i orientacja, będą miały istotny wpływ na działanie systemu. Mówiąc prosto, bez odpowiedniego projektu, działanie systemu będzie niepoprawne, gdy system będzie w ruchu. Warto zwrócić także uwagę iż pełna analiza mechaniczna projektowanego systemu i wpływ mechaniki układu na działanie sensorów inercjalnych, jest niezwykle istotna i warto ją przeprowadzić.

    Rozważania nad umiejscowieniem

    Rozpocznijmy od analizy orientacji sensora. Umieszczenie sensora w odniesieniu do jakiegoś punktu (zazwyczaj używa się tutaj wybranej krawędzi PCB) i zachowanie tej pozycji podczas lutowania układu SMD jest zadaniem dosyć wyzywającym. Co więcej, każdy poziom montażu systemu (począwszy od umieszczania układu MEMS w obudowie, poprzez lutowanie układu do PCB a na montażu PCB w obudowie kończąc) zwiększa błąd orientacji. Ponieważ dokładność ta ma wpływ na dokładność systemu, konieczne jest minimalizowanie tego błędu. Poniższa ilustracja pokazuje jakie są efekty orientacji sensora odbiegającej od idealnej. Oprogramowanie zarządzające sensorem może zostać skonfigurowane tak aby uwzględniało te odchyły po odpowiedniej kalibracji, jednakże efekty wyższych rzędów, nie uwzględnione w systemie, mogą poważnie zwiększyć błąd pomiaru prowadzonego przez układ.

    Trzeba się orientować: praktyczne metody aplikacji sensorów MEMS
    Ilustracja pokazująca efekty niedopasowania pozycji sensora. Więcej informacji dostępne jest na Wikipedii.


    Naprężenia termiczne i mechaniczne są kolejnym źródłem błędu pomiarowego w omawianym systemie. Mogą one wynikać na przykład z gradientów temperatury na PCB, co powoduje powstawanie naprężeń w płytce drukowanej, które z kolei przekazywane są na układ MEMS. Efekty termiczne bardzo często są ciężkie do analizy i odróżnienia od zwykłych mechanicznych naprężeń. Wynikiem istnienia tych naprężeń jest możliwość wprowadzenia offsetu do wyniku pomiaru lub zmniejszenie czułości układu. W idealnym przypadku na PCB elementy generujące dużą ilość ciepła powinny być umieszczone daleko od sensora. Jednakże ciężko to zrealizować jeśli projektuje się kompaktowy układ. Niezależnie jednak od minimalizacji układu należy zadbać o takie rozmieszczenie elementów na płytce drukowanej, aby minimalizować naprężenia termiczne w układzie.

    Rozważania nad montażem

    Powierzchniowy montaż elementów wymaga pewnej wiedzy i aplikacji zoptymalizowanych procesów w celu powodzenia. Jakkolwiek operacje te skupiają się na optymalizacji siły spoiwa, niezawodności i przepustowości procesu (czyli kosztów). Jednakże czasami należy skupić się na innych kwestiach. Na przykład niezoptymalizowany proces stygnięcia PCB może potencjalnie wprowadzić naprężenia do sensora MEMS, które to mogą pogorszyć parametry działania sensora inercyjnego.

    Często używa się różnych środków chemicznych do pokryć na PCB, aby chronić elektronikę przed wilgocią czy zanieczyszczeniami chemicznymi. Z drugiej strony pokrywanie sensorów inercjalnych jest niezalecane. Może zmienić to własności mechaniczne całego układu, ponadto nie zapewnia się możliwości wykonywania powtarzalnych pokryć z uwagi na trudność kontroli parametrów pokrycia (lepkości, prędkości schnięcia, grubości pokrycia).

    Rozważania nad mechaniką systemu

    Zewnętrzne źródła ruchu (takie jak sygnały inercyjne, uderzenia, wibracje) są w stanie stymulować powstawanie rezonansów płytki drukowanej. W najgorszym scenariuszu, pojawiać się mogę w pomiarze wirtualne sygnały, które są artefaktami wynikłymi z rezonansów własnych PCB. Te błędne sygnały są szumem, maskującym interesujący nas sygnał. Jeśli chcemy uwzględnić rezonans naszego układu niezwykle istotne jest rozważenie umieszczenia sensora na PCB w taki sposób aby znajdował się on w optymalnym położeniu względem wibracji na PCB.

    Poniższa ilustracja pokazuje dwa proponowane miejsca umieszczenia sensora na PCB. Dodatkowo zaprezentowano pierwszy mod rezonansowy płytki. Pierwszy obrazek pokazuje umiejscowienie sensora w środkowej części płytki (niebiesko zielony rejon). W tym miejscu kąt wibracji jest stłumiony w porównaniu do tego w pozycji zaznaczonej na rysunku wyżej. W tym umiejscowieniu sensor umieszczony jest na granicy pomiędzy dwoma rejonami, co powodować może iż nie będzie on znajdował się w równowadze.

    Istnieje wiele technik pozwalających na stłumienie rezonansów PCB (usztywnianie płytki, tłumienie i izolacja wibracji w całym systemie etc), tak więc pełna analiza mechaniczna systemu powinna być przeprowadzona. Istnieje wiele algorytmów pozwalających na przeprowadzenie takich obliczeń i uzyskanie informacji o modach wibracji, ich częstotliwościach etc.

    Trzeba się orientować: praktyczne metody aplikacji sensorów MEMS
    Symulacje rezonansów własnych PCB i położenia sensora na płytce. Sensor w niższym położeniu znajduje się w pozycji gdzie składowe rezonansowe są tłumione. Z kolei drugi sensor znajduje się w niezbalansowanym położeniu, co powoduje iż odczyty z niego zawierać będą większą liczbę niepoprawnych odczytów. Więcej informacji dostpne na stronie FEKO, ktre przeprowadziło symulacje, tutaj.


    Podsumowanie

    W powyższym artykule przyjrzeliśmy się i postaraliśmy zrozumieć podstawy poprawnej aplikacji inercyjnego sensora MEMS, w systemie pozwalającym wspomagać orientację w przestrzeni. Omówione zostały także czynniki które mogą mieć wpływ na parametry systemu, takie jak problemy wynikłe z montażu czy rezonanse własne PCB.

    Jeśli projektant zastosuje się do podawanych wyżej wytycznych, może bez problemu ominąć problemy generowane przez powyższe kwestie i osiągnąć optymalne parametry projektowanego systemu wykorzystującego inercjalne sensory MEMS.

    Źródło:

    http://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/5854

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 10084 postów o ocenie 8352, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer ControlsComputer Controls