Άσκηση 7 Αισθητήρες Μαγνητικού Πεδίου για Εποπτεία Κίνησης και Εύρεσης Θέσης 1. Γενικά Οι αισθητήρες ανισοτροπικής μαγνητοαντίστασης (από εδώ και στο εξής θα αναφέρονται ως AMR αισθητήρες), έχουν βελτιστοποιηθεί να λειτουργούν σε εύρος γύρω από την τιμή του μαγνητικού πεδίου της γης. Οι AMR αισθητήρες μπορούν αξιόπιστα να μετρήσουν το μέτρο και την κατεύθυνση μαγνητικών πεδίων της τάξης αυτού της γης με ακρίβεια ενός (1) μέρους στα 15.000 Ο AMR αισθητήρας είναι κατασκευασμένος από ένα λεπτό υμένιο νικελίου σιδήρου στην φάση Ni 3 Fe, το οποίο ονομάζεται permalloy. Το υμένιο έχει αποτεθεί πάνω σε πλάκα πυριτίου υπό τη μορφή λωρίδας αντίστασης. Λόγω των ιδιοτήτων του κράματος, το λεπτό υμένιο μεταβάλλει την φαινόμενη ωμική του αντίσταση κατά 2 3% υπό την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τυπικά, τέσσερις από αυτούς τους αντιστάτες συνδέονται υπό τη διάταξη γέφυρας Wheatstone, ώστε να μετριέται η μαγνήτιση και η φορά κατά την κατεύθυνση ενός ορισμένου άξονα μέτρησης (Εικόνα 1.1). Μια τυπική τιμή λειτουργίας της γέφυρας είναι 1 komh και το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας κυμαίνεται μεταξύ 1 5 MHz. Η αντίδραση του μαγνητοαντιστατικού φαινομένου είναι πολύ γρήγορη και δεν περιορίζεται από πηνία ή συχνότητες ταλάντευσης. Ένα ακόμη πλεονέκτημα των AMR αισθητήρων είναι πως μπορούν να αναπτυχθούν πάνω σε πλάκα πυριτίου και να εφαρμοστούν σε βιομηχανικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Αυτό επιτρέπει στους AMR αισθητήρες να αυτο συναρμολογούνται με άλλα κυκλώματα και στοιχεία συστημάτων. Αυτά και άλλα χαρακτηριστικά κάνουν τους AMR αισθητήρες να παρέχουν καλώς προβλεπόμενα σήματα εξόδου, να έχουν υψηλή ευαισθησία και εύρος συχνοτήτων λειτουργίας, χαμηλό κόστος, μικρό μέγεθος, να είναι ανεπηρέαστοι από θόρυβο σήματος και να έχουν υψηλή επαναληψιμότητα. Sensing direction Εικόνα 1.1. Σχηματικό κύκλωμα αισθητήρα AMR Σελίδα 1
Η λειτουργία του AMR αισθητήρα βασίζεται στην μεταβολή της αντίστασης του λεπτού υμενίου κράματος Ni 3 Fe, όταν εκτίθεται σε ένα μεταβαλλόμενο εξωτερικά επιβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο έτσι προκύπτει και ο όρος μαγνητοαντίσταση. Αυτό προκαλεί μια αντίστοιχη μεταβολή στην τάση εξόδου του αισθητήρα (Εικόνα 1.2). Η ευαισθησία της γέφυρας Wheatstone εκφράζεται ως η μεταβολή της τάσης εξόδου ανά Oe (mv/v/oe). Ο όρος (V) παραπέμπει στην τάση της γέφυρας V b. Όταν η τάση της γέφυρας ορίζεται στα 5 V και η ευαισθησία είναι 3 mv/v/oe, τότε το κέρδος εξόδου είναι 15 mv/v/oe. Με προσεκτική επιλογή ενισχυτή γέφυρας, μπορούν να επιτευχθούν επίπεδα εξόδου της τάξης του 1 mv. Έτσι η ανάλυση μαγνητικών πεδίων μπορεί να αναχθεί σε βήματα 67 moersted ή ενός μέρους στα 15.000 ανά Oersted. Αν η τάση εξόδου της γέφυρας ενισχυθεί κατά ένα κέρδος 67, τότε η συνολική ευαισθησία της εξόδου είναι 1 V/Gauss (=67x15mV/Gauss). Αυτό σημαίνει πως στο επιθυμητό εύρος ανίχνευσης των ±2 Gauss, έχουμε διαφοροποίηση 4 V με βάση την τάση της γέφυρας των 2,5 V ή κάλυψη των τιμών από 0,5 V έως 4,5 V για τιμές πεδίου από 2 Gauss έως +2 Gauss. Αυτό το επίπεδο μεταβολής του σήματος είναι κατάλληλο για τους περισσότερους μετατροπείς A/D. Χρησιμοποιώντας έναν AMR αισθητήρα και έναν ενισχυτή μπορούμε να παρέχουμε ακριβείς πληροφορίες για το μέτρο και την κατεύθυνση μαγνητικών πεδίων. Εικόνα 1.2. Καμπύλη μεταφοράς του αισθητήρα μαγνητοαντίστασης Η εφαρμογή των AMR αισθητήρων στην ανίχνευση οχημάτων μπορεί να πάρει πολλές μορφές. Ένας AMR αισθητήρας μονοαξονικής ανίχνευσης μπορεί να ανιχνεύσει την παρουσία ή μη ενός οχήματος. Με την κατάλληλη αποκωδικοποίηση του σήματος τα διαφορετικά οχήματα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν βάσει του τύπου τους. Η απόσταση ανίχνευσης ενός οχήματος μπορεί να εκτείνεται έως και 15 μέτρα ανάλογα με την ποσότητα του φερρομαγνητικού υλικού στο όχημα. Ένα σύστημα δύο αισθητήρων με κατάλληλη τοποθέτηση μπορεί να ανιχνεύσει την ύπαρξη, την κατεύθυνση και την ταχύτητα ενός οχήματος και να παρέχει την κατάλληλη πληροφορία για την διαχείριση της κυκλοφορίας. Σελίδα 2
Η μαγνητική διαταραχή ενός μεγάλου φερρομαγνητικού στοιχείου όπως είναι ένα αυτοκίνητο, μπορεί να προσομοιωθεί σαν μια σύνθεση πολλών διπολικών μαγνητών. Αυτά τα δίπολα έχουν προσανατολισμούς που προκαλούν διαταραχές στο μαγνητικό πεδίο της γης. Αυτές οι διαταραχές εμφανίζονται εντονότερα στον κινητήρα και στους άξονες των τροχών, αλλά επίσης ποικίλλουν ανάλογα με την σύσταση και την ποσότητα του φερρομαγνητικού χάλυβα υλικών που έχουν χρησιμοποιηθεί στο αυτοκίνητο (σασί, πορτ μπαγκάζ κλπ). Το αποτέλεσμα είναι μια χαρακτηριστική διαταραχή στο μαγνητικό πεδίο της γης που είναι μοναδική ανάλογα με το σχήμα του κάθε οχήματος. Ο Πίνακας 1.1 περιέχει τα βασικά χαρακτηριστικά του τρισδιάστατου αισθητήρα AMR της Honeywell. Πίνακας 1.1 Βασικά χαρακτηριστικά του AMR της Honeywell. Σελίδα 3
1.2 Δειγματοληψία (Data Acquisition) Η λύση που προσφέρει η 9215 της National Instruments, είναι αποδεκτή διότι: Έχει τεχνικά χαρακτηριστικά που ικανοποιούν την έξοδο του αισθητήρα AMR, όπως η δειγματοληψία στην μονάδα του χρόνου και η διακριτική του ικανότητα. Έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν σε αντίστοιχες διατάξεις μέτρησης μαγνητικής μάζας από φορείς στο εξωτερικό, με πολύ θετικά αποτελέσματα Σελίδα 4
Συνεργάζεται και διαθέτει το λογισμικό της NI LabView το οποίο είναι το πλέον ευρέως διαδεδομένο λογισμικό λήψης και επεξεργασίας δεδομένων Είναι γεγονός επίσης ότι υπάρχουν κάρτες και λογισμικά (όπως το MatLab Instrumentation tool) που επιτρέπει ταχύτερες μετρήσεις και επικοινωνία. Σαν παράδειγμα αναφέρεται η χρήση καρτών ΝΙ με λογισμικό Matlab για τον προσδιορισμό βρόχων μαγνητικής υστέρησης και η χρήση καρτών ΗΡ με λογισμικό ΗΡ. Όμως, η αξιοπιστία της κάρτας της ΝΙ είναι αποδεδειγμένη σε μια σειρά εφαρμογές στο εσωτερικό και το εξωτερικό που κάνει την χρήση της μονοσήμαντη. Τα χαρακτηριστικά της κάρτας λήψης και επεξεργασίας δεδομένων δίνονται στον Πίνακα 1.2. Πίνακας 1.2. Χαρακτηριστικά της κάρτας λήψης και επεξεργασίας δεδομένων Ο ρυθμός δειγματοληψίας της κάρτας ορίστηκε στα 10.000 samples per second. Στο ρυθμό αυτό ο θόρυβος λειτουργίας του αισθητήρας φτάνει τα 20 db βάσει του διαγράμματος απόδοσης του αισθητήρα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.3. Με την δειγματοληψία αυτή, μπορεί να ανιχνευτεί όχημα που θεωρητικά κινείται ως και με ταχύτητα έως και 400 km/h. Σχήμα 1.3. Απόδοση αισθητήρα AMR στο πεδίο συχνότητας Σελίδα 5
1.3 Λογισμικό Το λογισμικό διαχείρισης των δεδομένων και των επεξεργασμένων δεδομένων πρέπει να στηρίζεται στο ηλεκτρονικό σύστημα λήψης και επεξεργασίας δεδομένων. Κατά συνέπεια πρέπει να είναι συμβατό με την κάρτα ΝΙ. Το εν λόγω λογισμικό είναι το πρόγραμμα ροής δεδομένων LabView στο οποίο είναι επιτρεπτή η επεκτασιμότητα και με αλγορίθμους θα αναλυθούν στην συνέχεια. Το λογισμικό αυτό είναι διαπραγματεύσιμο σε κόστος όταν συνοδεύει μια κάρτα ΝΙ. Για την επεξεργασία του σήματος εξόδου και την εξαγωγή του κατά περίπτωση επιθυμητού δεδομένου χρησιμοποιήθηκε περιβάλλον προγραμματισμού ροής δεδομένων. Παράδειγμα του λογισμικού προγραμματισμού δίνεται στο Σχήμα 1.4. Σχήμα 1.4. Παράδειγμα του λογισμικού προγραμματισμού στο περιβάλλον LabView Σελίδα 6
2. Ανάπτυξη κατασκευή συστήματος 2.1 Κατασκευή του συστήματος μέτρησης Ο αισθητήρας AMR τοποθετείται σε κατάλληλο παραμαγνητικό υποδοχέα κατασκευασμένο από πολυμερές που τον προστατεύει από καιρικές συνθήκες σε επίπεδο ΙΡ 66 και προσφέρει αντικραδασμική προστασία της τάξης των 85 db στα 8 Hz. Ο παραμαγνητικός πολυμερής υποδοχέας περικλείεται από θερμομονωτικό μανδύα τύπου διογκωμένου περλίτη που υπόσχεται ικανοποιητική θερμοδυναμική θωράκιση. Στην συνέχεια συνδέεται με καλώδιο BNC με την ηλεκτρονική κάρτα, η οποία με την σειρά της είναι θωρακισμένη σε φερρομαγνητικό περιβάλλον μαγνητικής θωράκισης με προστασία 70 db στα 4 Hz και αντικραδασμική προστασία της τάξης των 60 db στα 8 Hz. Στο ίδιο περιβάλλον ευρίσκεται και το μικροϋπολογιστικό σύστημα ελέγχου, το οποίο για την περίπτωση είναι ένας φορητός υπολογιστής (laptop), ο οποίος ευρίσκεται στο ίδιο περιβάλλον με την κάρτα. 2.1.1 Ανάπτυξη αλγορίθμου μέτρησης χρονικά εξαρτώμενης μαγνητικής μάζας Το σύστημα μέτρησης που προαναφέρθηκε διαθέτει αλγόριθμο προσδιορισμού μαγνητικής μάζας και μεταβολής της στον χρόνο. Η μέτρηση στηρίζεται στην σειριακή λήψη σημάτων και επεξεργασία με εντολές LabView. Το σύστημα μέτρησης μαγνητικής μάζας είναι κατά συνέπεια σε θέση να μετρά την χρονική εξάρτηση της μέτρησης της μαγνητικής μάζας. Ο αλγόριθμος προσφέρει την δυνατότητα απαλοιφής των αργών αλλαγών μαγνητικού πεδίου, ήτοι έχει την δυνατότητα αφαίρεσης του περιβάλλοντος μαγνητικού θορύβου. Οι μετρήσεις στην μονάδα του χρόνου είναι 10000 ανά δευτερόλεπτο και είναι κατά συνέπεια ικανοποιητικές σε αριθμό για την επίτευξη ασφαλών συμπερασμάτων για την μεταβολή της μαγνητικής μάζας. Μια ενδεικτική απόκριση της χρονικά μεταβλητής μέτρησης μαγνητικής μάζας δίνεται στο Σχήμα 1.5 που αφορά στην ενδεικτική μέτρηση αυτοκινήτου και στο Σχήμα 1.6 που αφορά στην ενδεικτική μέτρηση βάν. Όπως φαίνεται στα σχήματα αυτά η μέτρηση της αλλαγής του μαγνητικού πεδίου που είναι τρισδιάστατη επιτρέπει την λεπτομερή προσέγγιση της μαγνητικής μάζας και της αλλαγής της στον χρόνο. Συγκεκριμένα: Ο άξονας Χ προσφέρει την αλλαγή της μαγνητικής μάζας κάθετα στην κίνηση του οχήματος Ο άξονας Υ προσφέρει την αλλαγή της μαγνητικής μάζας στον άξονα κίνησης του οχήματος Ο άξονας Ζ προσφέρει την αλλαγή της μαγνητικής μάζας κάθετα στο επίπεδο του δρόμου Οι χρονικά μεταβαλλόμενες μετρήσεις θα είναι χρήσιμες και στην περίπτωση των λοιπών αλγορίθμων του συστήματος. Σελίδα 7
Σχήμα 1.5. Χρονικά μεταβλητή μέτρησης μαγνητικής μάζας με ενδεικτική μέτρηση αυτοκινήτου Σχήμα 1.6. Χρονικά μεταβλητή μέτρησης μαγνητικής μάζας με ενδεικτική μέτρηση βάν Σελίδα 8
2.2 Αλγόριθμος προσδιορισμού χωρικής κατανομής μάζας Ο αλγόριθμος προσδιορισμού χωρικής κατανομής μάζας στηρίζεται στην μέτρηση και των τριών συντελεστών του μετρούμενου μαγνητικού πεδίου. Η συνέλιξη της χρονικής μεταβολής του μαγνητικού πεδίου συναρτήσει του χρόνου είναι η μετρούμενη μαγνητική μάζα σε κάθε άξονα. Για την περίπτωση μιας λωρίδας κυκλοφορίας αυτή η ανάγνωση είναι αρκετή για την μέτρηση της μαγνητικής μάζας. Για την περίπτωση πάνω της μιας λωρίδων κυκλοφορίας, ό αλγόριθμος για την μέτρηση της μαγνητικής μάζας στον χρόνο σε κάθε λωρίδα ξεχωριστά είναι μια δύσκολη υπόθεση. Συγκεκριμένα, για την περίπτωση αυτή, το χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα υπόκειται σε: Διακριτό μετασχηματισμό Fourier και προσδιορίζονται οι Ν περιοχές συχνοτήτων, όπου Ν ο αριθμός των λωρίδων προς μέτρηση. Οι συχνοτικές περιοχές είναι αντιστρόφως ανάλογες της απόστασης του αισθητήρα από την υπό μέτρηση λωρίδα. Ψηφιακό φιλτράρισμα του σήματος, όπου επιτρέπεται μόνο η συμμετοχή της γειτονιάς των συχνοτήτων που αντιστοιχούν στην υπό μέτρηση λωρίδα. Το χρονικά μεταβαλλόμενο σήμα αντιστοιχεί στην διερχόμενη μαγνητική μάζα από την υπό μέτρηση λωρίδα. Βρέθηκε ακόμη ότι η συχνοτική φασματική απόκριση σε μια γειτονιά συχνοτήτων που αντιστοιχούν σε μια λωρίδα κυκλοφορίας είναι σε θέση να προσφέρουν την διάκριση τύπου οχήματος ίδιας μαγνητικής μάζας. Συγκεκριμένα, τα λεωφορεία περιέχουν πληθώρα αρμονικών που τα διακρίνουν από τα φορτηγά. 2.3 Αλγόριθμος διάκρισης της μαγνητικής μάζας Η διάκριση της μαγνητικής μάζας σε μηχανή (δίκυκλο), επιβατικό αυτοκίνητο, φορτηγό αυτοκίνητο ή λεωφορείο και ει δυνατόν σε μεγάλο φορτηγό (ρυμουλκό μετά ρυμουλκουμένου), επιτυγχάνεται με τον προσδιορισμό του ολοκληρώματος της χρονικά μεταβλητής μαγνητικής μάζας. Σε κάθε περίπτωση η διάκριση σε μηχανή αυτοκίνητο και φορτηγό είναι κατ αρχήν απολύτως ικανοποιητική στις πλείστες των περιπτώσεων. Το ολοκλήρωμα αυτό έχει τιμές γραμμικά αυξανόμενες σε σχέση με το όχημα που περνά από το σημείο μέτρησης. Δηλαδή η τιμή του είναι μικρή για την περίπτωση μηχανής, μεγαλύτερη για διερχόμενο αυτοκίνητο και ακόμη μεγαλύτερη για διερχόμενο φορτηγό ή λεωφορείο. Είναι γεγονός ότι αρχικές ενδεικτικές δοκιμές του συστήματος μέτρησης έδειξαν διακριτική δυνατότητα διάκρισης μεγάλης μηχανής από «παπί», μικρού και μεγάλου αυτοκινήτου, μεγάλου και μικρού λεωφορείου κλπ, σε εξάρτηση όμως με την απόσταση διέλευσης του εν λόγο οχήματος από το σημείο μέτρησης της τάξης των δεκατομέτρων. Σε κάθε περίπτωση, ο πρώτος έλεγχος της διάταξης έδειξε την ικανότητα της απόλυτης διάκρισης μεταξύ μηχανής, αυτοκινήτου και φορτηγού Σελίδα 9
λεωφορείου, σε εξάρτηση με την απόσταση διέλευσης του εν λόγο οχήματος από το σημείο μέτρησης της τάξης των μέτρων. Μια τέτοια ενδεικτική απόκριση δείχνεται στο Σχήμα 1.6, όπου παρουσιάζεται ενδεικτική μέτρηση μαγνητικής μάζας σε λεωφορείο (πρώτο σήμα) και σήμα από 3 διερχόμενα αυτοκίνητα (τα υπόλοιπα 3 μικρότερα σήματα). Η διασφάλιση της ποιότητας των μετρήσεων επικουρείται από την ταυτόχρονη μέτρηση των τριών συνιστωσών του μαγνητικού πεδίου. Σχήμα 1.6. Ενδεικτική μέτρηση μαγνητικής μάζας σε λεωφορείο (πρώτο σήμα) και σήμα από 3 διερχόμενα αυτοκίνητα (τα 3 μικρότερα σήματα). 2.4 Αλγόριθμος υπολογισμού ταχύτητας κίνησης (σε μια τουλάχιστον λωρίδα) Πέραν της μέτρησης της μαγνητικής μάζας, της χρονικής και χωρικής κατανομής της, ένα τέτοιο σύστημα μέτρησης σαν αυτό που αναπτύσσεται στην παρούσα μελέτη, διαθέτει την τεχνολογία (αλγόριθμο) μέτρησης της ταχύτητας κίνησης ενός οχήματος σε μια λωρίδα και ακόμη περισσότερο Σελίδα 10
την ταχύτητα κίνησης ταυτόχρονα διερχόμενων αυτοκινήτων σε περισσότερες από μιας λωρίδες κυκλοφορίας. Η διάκριση σε λωρίδες επιτυγχάνεται όπως προαναφέρθηκε προηγουμένως (συχνοτική απόκριση). Η ταχύτητα του αυτοκινήτου ευρίσκεται κάνοντας χρήση ενός 2 ου AMR αισθητήρα με άξονα ανίχνευσης Y τοποθετημένο σε απόσταση 2 μέτρων από τον 1 ο. Έτσι, μπορεί να προσδιορισθεί με ακρίβεια την ταχύτητα του διερχόμενου οχήματος. Το σημείο μέγιστης μεταβολής που οφείλεται στον κινητήρα, χρησιμοποιείται σαν το σημείο ανίχνευσης για να υπολογιστεί ο χρόνος που πέρασε για να διανύσει το εν λόγο όχημα την απόσταση των 2 μέτρων (Σχήμα 1.7). Η ταχύτητα του οχήματος υπολογίζεται από τον χρόνο που χρειάστηκε το όχημα να διανύσει την απόσταση των 2 μέτρων. Έχοντας υπολογίσει την ταχύτητα του οχήματος και εστιάζοντας στην πρώτη και την τελευταία μέγιστη μεταβολή (ελάχιστη ή μέγιστη) είναι δυνατός ο υπολογισμός και του μήκους του διερχόμενου οχήματος. Η μέτρηση του μήκους του οχήματος έχει συμπληρωματική σημασία για την κατηγοριοποίηση του οχήματος. Σχήμα 1.7. Υπολογισμός του χρόνου διέλευσης μεταξύ δύο προκαθορισμένων σημείων Σελίδα 11
ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Να γίνουν μετρήσεις με χρήση του αισθητήρα ΑΜR της Honeywell που να καταγράφουν την μεταβολή της τάσης που προκαλεί ένας μόνιμος μαγνήτης στον αισθητήρα. Ο μαγνήτης θα κινείται σε 24 θέσεις πάνω σε επίπεδο ανά 2 εκατοστά. 2. Τοποθετήστε έναν μικρό μόνιμο μαγνήτη κάτω από αδιαφανές χαρτί μεγέθους Α3. Μετά εντοπίστε την θέση του με χρήση του αισθητήρα. Σελίδα 12