Senzor Optic de Acceleratie Pentru Aplicatiile In Domeniul Automotive

Politehnica

Senzor Optic de Acceleratie Pentru Aplicatiile In Domeniul Automotive

Byadmin ianuarie 1, 2024

Senzor optic de accelerație pentru aplicațiile în domeniul automotive

Cuprins

Capitolul 1.

Introducere

1.1 Motive pentru alegerea senzorului de accelerație

1.2 Obiectivul lucrării de disertatie

Capitolul 2.

Componente fizice ale senzorului optic de accelerație

2.1Generalități despre fibra optică

2.1 Principiul de funcționare

2.2 Fibra multimodală

2.3 Tipuri de fibră optică. Fibra monomodală

2.4 Fibre optice speciale

2.5 Utilizări ale fibrelor optice

Capitolul 3

Senzori optici

3.1 Generalități

3.2 Exemple de senzori

3.3 Senzori folosiți în domeniul automotive

3.4 Alte tipuri de senzori

Capitolul 4

Argumentarea teoretică

4.1 Reflexia internă totală a luminii prin fibra optică

4.2 Dispersia luminii prin fibra optică

4.3 Reflexie difuză

4.4 Indicele de refracție

4.5 Aproximarea membranei senzorului prin intermediul plăcilor plane

4.5.1 Plăci plane

4.5.2 Generalități

Capitolul 5.

Construcția standului experimental

5.1 Schema bloc a standului experimental

5.2 Componentele standului experimental

5.2.1 Placa de achiziție date

5.2.2 LED de culoare roșie de tipul IF – E96

5.2.3 Fototranzistor de tipul IF – D91

5.2.4 Mufa USB

5.2.5 Filtru RC

5.2.6 Placă audio Creative Sound Blaster X-Fi Surround 5.1

5.2.7 Mufă audio stereo 3.5mm

5.2.8 Spy RSU

5.2.9 Proiectarea senzorului

5.2.10 Testarea senzorului implementat

5.2.11 Conexiunea dintre POF și fotodiodă respectiv POF și fototrantzistor

5.2.12 Caracteristicile membranei

5.2.13 Explicarea diagramelor

5.2.14 Diagrama bloc a datelor introduse în Scilab

5.3 Construcția mecanică a standului experimental

Capitolul 6.

Testarea senzorului

6.1 Testarea senzorului optic de accelerație

6.2 Teste aplicate senzorului optic de accelerație

6.2.1 Domeniul de măsurare

6.2.2 Liniaritatea senzorului

6.2.3 Acuratețea senzorului

6.2.4 Timpul de răspuns

6.3 Rezultatele testelor

Capitolul 7.

Concluzii finale și contribuții personale

Lista cu prescurtări

.

Capitolul 1.

Introducere

Una din cele mai importante lucruri în industria auto o constituie siguranța pasagerilor. Piața este în continuă creștere și în fiecare zi sunt implementate noi soluții și măsuri de siguranță. Sunt luate în considerare acele soluțiile care oferă rezultate precise și sigure în caz de accident cu un alt obiect. Fibrele optice au început să înlocuiască firele obișnuite de cupru. Una din variatele domenii de utilizare ale fibrei optice este de a le implementa în așa fel încât să poată sesiza modificările fizice intrinseci sau extrinseci, facându-le să acționeze ca niște senzori.

În ultimele 2 decenii senzorii cu fibră optică s-au extins de la stadiul experimental până la aplicațiile practice. De exemplu, senzorii cu fibră optică distribuiți uniform au fost instalați în diguri, poduri pentru a monitoriza comportamentul acestor construcții. Odată cu apariția rapidă a rețelelor optice, costul senzorilor cu fibră optică a scăzut substanțial datorită componentelor cheie răspândite cum ar fi sursele de lumină și fotodetectorii. Se estimează că senzorii cu fibră optică vor deveni o aplicație larg răspândită în tehnologiile de detectare. [1]

Îmbunatățirea continuă a senzorilor cu fibră optică și diminuarea prețurilor componentelor acestora, va duce la înlocuirea senzorilor tradiționali de accelerație, rotație, presiune, temperatura, vibrație, umiditate etc.

1.1 Motive pentru alegerea senzorului de accelerație

Accelerometrele sunt senzori sau traductoare care măsoară accelerația. Accelerometrele în general măsoară forțele aplicate unui corp accelerat fiind montate direct pe o suprafață a acestuia, sau forțele exercitate de un corp datorită schimbării vitezei acestuia. Un corp aflat în mișcare posedă o inerție care tinde să reziste schimbării vitezei. Forța este direct proporțională cu componenta accelerației corespunzătoare direcției de mișcare a corpului aflat în mișcare de accelerare. Această mișcare este detectată într-o porțiune sensibilă a accelerometrului. Aceasta mișcare este indicativul mișcării în întregul obiect sau aplicație în care accelerometrul este montat. Astfel un accelerometru sensibil determină rapid deplasarea într-un asemenea corp. Măsurarea accelerației este o aplicație esențială în mai multe domenii, cum ar fi cele comerciale, militare, știițifice, în sistemele de protecție ale autovehiculelor cum ar fi: airbag-uri, controlul confortului în timpul mersului, senzori de înclinare și monitorizare a vibrației. Accelerometrele se pot folosi în sistemele de suspensie ale automobilelor, sistemele de airbag ale vehiculelor, sistemele de antiblocare a roților automobilelor, vibormetre și în hard-disk-urile calculatoarelor, sisteme inteligente de detonare a bombelor, rachetelor și în detectarea vibrațiilor în monitoarele autovehiculelor. [2]

1.2 Obiectivul lucrării de disertatie

Obiectivul acestei lucrări este de a proiecta, implementa și testa o varianta funcționala a unui senzor optic de accelerație bazată pe modulația intensității luminii. Senzorul este proiectat pentru a sesiza modificarile de acceleratie și poate fi montat în interiorul ușii automobilului, pentru a transmite date precise în timpul unui impact lateral, unității centrale elctronice (ECU) care la rândul ei dă comandă să se declanșeze airbag-ul tip cortină și să protejeze pasagerul de pe parte unde s-a produs impactul. Senzorul este implementat într-o variantă care rezistă la temperatură pentru a putea fi plasat în compartimentul motor. Senzorul este testat și comparat cu un senzor de referință pentru a putea fi determinate caracteristicile funcționale și pentru a stabili dacă acest senzor optic de accelerație poate fi folosit cu încredere pentru o implementare ulterioară.

Senzorul este format din următoarele părți componente: 2xfibre optice plastice cu diametrul de 1mm, carcasa senzorului confecționată dintr-un tub de plastic, membrana din latex montata pe o extremitate a senzorului, inelul metalic care fixează și pretensionează membrana, greutatea fabricata din latex plasată în mijlocul membranei.

Capitolul 2.

Componente fizice ale senzorului optic de accelerație

2.1Generalități despre fibra optică

Fibra optică este o fibră de sticlă sau plastic care transportă lumină de-a lungul său. Fibrele optice sunt folosite pe scară largă în domeniul telecomunicațiilor, unde permit transmisii pe distanțe mai mari și la lărgimi de bandă mai mari decât alte medii de comunicație. Fibrele sunt utilizate în locul cablurilor de metal deoarece semnalul este transmis cu pierderi mai mici, și deoarece sunt imune la interferențe electromagnetice. Fibrele optice sunt utilizate și pentru iluminat și transportă imagine, permițând astfel vizualizarea în zone înguste. Unele fibre optice proiectate special sunt utilizate în diverse alte aplicații, inclusiv senzori și laseri.Lumina este dirijată prin miezul fibrei optice cu ajutorul reflexiei interne totale. Aceasta face fibra să se comporte ca ghid de undă. Fibrele care suportă mai multe căi de propagare sau moduri transversale se numesc fibre multimodale (MMF = multi mode fiber), iar cele ce suportă un singur mod sunt fibre monomodale (SMF = single mode fiber). Fibrele multimodale au în general un diametru mai mare al miezului și sunt utilizate în comunicații pe distanțe mai scurte și în aplicații în care trebuie transferată multă putere. Fibrele monomodale se utilizează pentru comunicații pe distanțe de peste 550 m.

Conectarea fibrelor optice una de alta este mai complexă decât cea a cablurilor electrice. Capetele fibrei trebuie să fie atent tăiate, și apoi unite fie mecanic fie prin sudare cu arc electric. Se utilizează conectori speciali pentru conexiuni ce pot fi înlăturate. [3]

2.1 Principiul de funcționare

O fibră optică este un ghid de undă dielectric cilindric ce transmite lumina de-a lungul axei sale, prin procesul de reflexie internă totală. Fibra constă dintr-un miez înconjurat de un strat de substanță (teacă). Pentru a păstra semnalul optic în miez, indicele de refracție al miezului trebuie să fie mai mare decât cel al tecii. Limita dintre miez și teacă poate fi fie abruptă, în fibra cu salt de indice, fie gradat, în fibra cu indice gradat.

2.2 Fibra multimodală

Fig. 2.1 Trecerea luminii prin fibra multimodală

Fibra optică cu diametru mare al miezului (mai mare de 10 micrometri) poate fi analizată cu ajutorul opticii geometrice. Această fibră se numește fibră multimod. Într-o fibră optică multimod cu salt de indice, razele de lumină sunt conduse de-a lungul miezului fibrei prin reflexie internă totală. Razele ce ajung la suprafața de contact miez-teacă cu unghi mare (relativ la normala la suprafață), mai mare decât unghiul critic al acestei suprafețe, sunt complet reflectate. Unghiul critic (unghiul minim pentru reflexia internă totală) este determinat de diferența între indicele de refracție al miezului și cel al tecii. Razele care ajung la suprafața de separare sub un unghi mic sunt refractate din miez în teacă, și deci nu transmit lumina (și deci informația) de-a lungul fibrei. Unghiul critic determină unghiul de acceptanță al fibrei, adesea dat ca apertură numerică. O apertură numerică mare permite luminii să se propage de-a lungul fibrei atât în raze apropiate de ax, cât și în raze la diferite unghiuri. Această apertură numerică mare crește, însă, cantitatea de dispersie, întrucât razele la unghiuri diferite au drumuri optice diferite și parcurg fibra în durate de timp diferite. O apertură numerică mică ar fi, astfel, de dorit.

2.3 Tipuri de fibră optică. Fibra monomodală

Fig.2.2 Structura unei fibre optice monomodale

Părți componente:

1. Miez: 8 µm diametru

2. Teacă: 125 µm diametru

3. Tampon: 250 µm diametru

4. Înveliș: 400 µm diametru

Fibrele optice cu un diametru al miezului mai mic decât de zece ori lungimea de undă a luminii propagate nu pot fi modelate cu ajutorul opticii geometrice. Trebuie, în schimb, să se analizeze structura sa electromagnetică, prin rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell reduse la ecuația undei electromagnetice. Analiza electromagnetică ar putea fi necesară și pentru a înțelege comportamente ce au loc atunci când lumina coerentă se propagă printr-o fibră multimodală. Ca ghid de undă optică, fibra suportă unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga prin fibră. Fibra ce susține doar un mod se numește fibră monomodală sau monomod. Comportamentul fibrei multimodale poate fi și el modelat cu ajutorul ecuației undei electromagnetice, ceea ce arată că o astfel de fibră suportă mai multe moduri de propagare. Rezultatul modelării fibrelor multimodale cu optică electromagnetică se apropie de predicțiile opticii geometrice, dacă fibra este suficient de mare și suportă un număr mare de moduri.

Cel mai frecvent folosit tip de fibră monomodală are un diametru al miezului de 8–10 micrometri și este gândit pentru a fi utilizat la lungimi de undă vizibile apropiate de infraroșu. Structura modului depinde de lungimea de undă a luminii folosite, astfel că această fibră suportă de fapt un număr mic de moduri adiționale la lungimi de undă vizibile. Fibra multimodală, prin comparație, este produsă cu diametru al miezului de la 50 micrometri până la câteva sute de micrometri.

2.4 Fibre optice speciale

Se produc și unele fibre optice speciale cu miez necilindric sau/și cu teacă necilindrică, de regulă cu secțiune transversală eliptică sau dreptunghiulară. Aceste fibre sunt proiectate astfel pentru a păstra polarizarea luminii, de exemplu.Fibra din cristal fotonic este realizată cu un șablon regulat de variație a indicelui de refracție (adesea în formă de găuri cilindrice care merg de-a lungul lungimii fibrei). Astfel de fibre folosesc efectele de difracție în loc de (sau pe lângă) reflexia internă totală, pentru a păstra lumina în miezul fibrei. Proprietățile fibrei pot fi modificate într-o varietate largă de aplicații.

2.5 Utilizări că, prin rezolvarea ecuațiilor lui Maxwell reduse la ecuația undei electromagnetice. Analiza electromagnetică ar putea fi necesară și pentru a înțelege comportamente ce au loc atunci când lumina coerentă se propagă printr-o fibră multimodală. Ca ghid de undă optică, fibra suportă unul sau mai multe moduri de traversare prin care lumina se poate propaga prin fibră. Fibra ce susține doar un mod se numește fibră monomodală sau monomod. Comportamentul fibrei multimodale poate fi și el modelat cu ajutorul ecuației undei electromagnetice, ceea ce arată că o astfel de fibră suportă mai multe moduri de propagare. Rezultatul modelării fibrelor multimodale cu optică electromagnetică se apropie de predicțiile opticii geometrice, dacă fibra este suficient de mare și suportă un număr mare de moduri.

Cel mai frecvent folosit tip de fibră monomodală are un diametru al miezului de 8–10 micrometri și este gândit pentru a fi utilizat la lungimi de undă vizibile apropiate de infraroșu. Structura modului depinde de lungimea de undă a luminii folosite, astfel că această fibră suportă de fapt un număr mic de moduri adiționale la lungimi de undă vizibile. Fibra multimodală, prin comparație, este produsă cu diametru al miezului de la 50 micrometri până la câteva sute de micrometri.

2.4 Fibre optice speciale

Se produc și unele fibre optice speciale cu miez necilindric sau/și cu teacă necilindrică, de regulă cu secțiune transversală eliptică sau dreptunghiulară. Aceste fibre sunt proiectate astfel pentru a păstra polarizarea luminii, de exemplu.Fibra din cristal fotonic este realizată cu un șablon regulat de variație a indicelui de refracție (adesea în formă de găuri cilindrice care merg de-a lungul lungimii fibrei). Astfel de fibre folosesc efectele de difracție în loc de (sau pe lângă) reflexia internă totală, pentru a păstra lumina în miezul fibrei. Proprietățile fibrei pot fi modificate într-o varietate largă de aplicații.

2.5 Utilizări ale fibrelor optice

Fibra optică poate fi utilizată ca mediu de telecomunicații și rețele deoarece este flexibilă și poate fi strânsă în cabluri. Este deosebit de avantajoasă pentru comunicații pe distanțe mari, deoarece lumina se propagă prin fibră cu atenuare mică în comparație cu cablurile electrice. Aceasta permite acoperirea de distanțe mari cu doar câteva repetoare. În unele aplicații, se folosesc senzori care sunt ei înșiși fibre optice. În alte cazuri, fibra optică este utilizată pentru a conecta un senzor cu sistemul de măsurare.

Fibra optică se poate utiliza ca senzor de măsurare a tensiunii, temperaturii, presiunii și a altor cantități prin modificarea fibrei astfel încât cantitatea de măsurat să moduleze intensitatea, faza, polarizarea, lungimea de undă sau durata de trecere a luminii. Senzorii care pot varia intensitatea luminii sunt cei mai simpli, deoarece sunt necesare doar o sursă și un detector.

Senzorii extrinseci utilizează un cablu de fibră optică, în mod normal multimodal, pentru a transmite lumină modulată fie de la un senzor de alt tip, fie de la un senzor electronic conectat la un transmițător optic. Un beneficiu major al senzorilor extrinseci este abilitatea lor de a ajunge în locuri altfel inaccesibile.

Fibra optică este folosită și în iluminat, ca ghid de lumină în aplicații medicale și nu numai, în care este nevoie de lumină puternică pe un punct ascuns. În unele clădiri, fibra optică este utilizată pentru a direcționa lumina solară de pe acoperiș spre alte părți ale clădirii. Iluminarea cu fibră optică este folosită și în aplicații decorative, la indicatoare, lucrări de artă. Magazinele de bijuterii utilizează fibra optică pentru a ilumina cristalele expuse din mai multe unghiuri cu o singură sursă de lumină.

Un grup coerent de fibre se utilizează, uneori împreună cu lentile, la un dispozitiv lung și subțire de achiziționat imagini, numit endoscop, folosit pentru a vedea obiecte printr-o gaură mică. Endoscoapele medicale sunt utilizate pentru proceduri chirurgicale neinvazive. [3]

Capitolul 3

Senzori optici

3.1 Generalități

Senzorul este un dispozitiv care măsoară informația din mediu și produce la ieșire un semnal proporțional cu mărimea măsurată (mecanică, termică, chimică, radiativă, magnetică, electrică).

Tehnologia senzorilor cu fibră optică a fost un utilizator major al tehnologiilor asociate în industria comunicațiilor cu fibră optică. Majoritatea componentelor asociate acestor industrii au fost de cele mai multe ori dezvoltate pentru aplicații ale senzorilor cu fibră optică. Tehnologia senzorilor cu fibră optică a fost determinată de dezvoltarea și ulterior producerea în masa a componentelor pentru a sprijini aceste industrii. Cum prețul componentelor a scăzut și îmbunătățiri ale calității au fost făcute, capacitatea senzorilor cu fibră optică să înlocuiască senzorii tradiționali pentru măsurarea acelerației, rotației, măsurarea câmpului magnetic sau electric, temperaturii, presiunii, acusticii, vibrației, poziției liniare sau unghiulare, umidității, vâscozității, măsurărilor chimice și multe alte aplicații ale senzorilor a fost consolidată.

Avantajele senzorilor cu fibră optică sunt: capacitatea lor de a fi ușori, dimensiunile foarte mici, imunității la interferențele elctromagnetice, sensibilitatea ridicată, bandă de frecvență largă, nivelul de izolație ridicat, au fost puternic folosite pentru a compensa dezavantajul major al prețului și lipsa de familiarizare a utilizatorului final.

Senzorii cu fibră optică sunt de cele mai multe ori grupați în două clase de bază denumite senzori cu fibră optică extrinseci, hibrizi, și senzori intrinseci. [4]

3.2 Exemple de senzori

Tabel nr.1 Tipuri de senzori optici

3.3 Senzori folosiți în domeniul automotive

Senzorii cu poziție unghiulară măsoară setările unghiulare simple și unele modificări ale unghiului. Sunt folosiți ca și valve (drosel) cu unghi de măsurare în conducerea motorului și pentru măsurarea unghiului de deschidere al ușii ferestrei.

Senzorii care măsoara viteza unghiulară, pozițiile și unghiurile în exces de 360°. Sunt folosiți pentru măsurarea vitezei-roții pentru ABS/TCS (Antilock Breaking System/Traction Control System) turațiilor motorului, unghiului de poziționare pentru conducerea motorului, unghiului de rotire al volanului automobilului, distanța parcursă, curbele drumurilor pentru sistemele de navigație ale autovehiculelor, apropierea sau depărtarea vitezei de rotație, deplasarea măsurărilor unghiulare.

Senzorii de accelerație de tip masă-arc măsoară modificări ale vitezei. Sunt folosiți cu precădere în traficul rutier. Înregistrează accelerări și decelerări ale vehiculelor ( pentru sistemele ABS și TCS), măsoară accelerări și decelerări pentru siguranță, control, sisteme de protecție în lifturi, căi ferate prin cabluri, moto-stivuitoare, benzi transpotoare, stații de energie eoliană.

Senzori de accelerație de tip grindă deformată care înregistrează șocurile și vibrațiile cauzate de impactul pe suprafețe dure/nepavate ale drumului. Folosiți pentru sistemul de conducere al motorului care detectează vibrațiile pe suprafețele drumului.

Senzori de accelerație piezoelectrici care măsoară șocurile și vibrațiile apărute în momentul în care autovehiculele se lovesc de un obstacol. Sunt folosiți în timpul impactului, pentru declanșarea airbag-urilor și blocarea centurilor de siguranță. Detectarea impactului în instalații de monitorizare/supraveghere, detectare de corpuri străine, mașini de umplere și instalații de sortare.

Senzori de deviere care măsoară mișcarea de alunecare care are loc la vehiculele aflate în traficul rutier. Folosiți la controlul dinamic al vehiculului (ESP) pentru măsurarea laturii de deviere și accelerația laterală, și pentru senzorii de navigație ai autovehiculelor. Stabilizarea autovehiculeleor a avioanelor, circuite de siguranță în carusele și alte dispozitive de distracție.

Senzorii piezoelectrici de vibrație măsoară vibrațiile care apar în structura motoarelor, mașinilor și lagărelor pivotante. Sunt folosiți petru detectarea pocniturilor din motor pentru prevenirea loviturilor în sistemele de conducere ale motorului.

Senzori de presiune absolută măsoară variația presiunii de la aproximativ 50% la 500% din presiunea atmosferică a Pământului. Sunt folosiți pentru măsurarea vacuumului din colector, presiunii aerului, presiunea de altitudine, injecția de combustibil pentru motoarele diesel, pentru controlul presiunii în aspiratoare electronice, monitorizarea liniilor de producție pneumatice, contoare de aer sub presiune, altitudine, tensiunii arteriale, manometre, dispozitive de avertizare a vijeliilor.

Senzorii diferențiali de presiune măsoară presiunea diferențială a gazului. Se folosesc pentru măsurarea presiunii în rezervorul de combustibil, emisiile prin evaporare la sistemele de control pentru monitorizarea de supra și subpresiune.

Senzorii de temperatură măsoară temperatura materialelor gazoase și în interiorul unei carcase potrivite, temperatura lichidelor. Se folosesc pentru afișarea temperaturii de afara și din interorior, controlul aerului condiționat și al temperaturii din interior, controlul radiatoarelor și termostatelor, măsurarea lubrifiantului, lichidului de răcire, și al diferitelor temperaturi ale motorului, ca termometre, termostate, pentru protecție termică, detectoare de îngheț, pentru temperatura și încălzirea centrală, monitorizarea temperaturii de refrigerare, reglarea apei calde și ca pompe de căldură.

Senzorii de oxigen cu sondă de tip lambda determină conținutul de oxigen rezidual în gazele de eșapament. Sunt folosiți pentru reducerea emisiilor poluante la motoarele pe benzină și pe gaz, pentru reducerea poluanților în timpul arderii, măsurarea fumului, analiza gazelor.

Aparatele de măsura de tip aer-masă măsoară debitul de curgere al gazelor. Sunt folosite pentru măsurarea masei de aer aspirată de motor, măsurarea debitului de gaze de pe băncile de testare și în instalații de ardere. [6]

3.4 Alte tipuri de senzori

Senzor pentru măsurarea temperaturii și umidității relative a aerului

Acest senzor combinat "doi într-unul" conține un senzor pentru temperatură si unul pentru umiditate relativă a aerului, integrați într-un “adăpost meteorologic” de înaltă calitate. Acesta folosește principiul convecției naturale pentru a minimiza efectele soarelui și ale radiației pamântului. Senzorul este ușor de instalat și se poate monta la orice înălțime, în funcție de aplicația data.

Senzor pentru măsurarea umectării frunzelor

Acest senzor este esențial în aplicațiile ce se refera la protecția plantelor. El simulează umectarea frunzelor provenită atât din precipitații, cât și din rouă. Senzorul funcționeaza pe principul conductivității electrice a apei, masurând în 10 trepte gradul de umectare al frunzei, de la complet uscat la total umed. Pe suprafața senzorului este montat un suport care-i da o flexibilitate deosebită la instalare, putând fi instalat în interiorul coroanei vegetale a plantelor.

Senzor pentru măsurarea intensității și direcția vântului

Ca urmare a construcției sale senzorul este compact și robust. Senzorul pentru măsurarea vitezei vântului este de fapt un generator de curent alternativ și un redresor de curent, astfel nemai fiind nevoie de perii și colector. Senzorul pentru măsurarea direcției vântului se bazează pe un potențiometru de mare precizie. Cele mai multe părți componente ale senzorului sunt fabricate dintr-un material plastic de înaltă rezistență. Senzorul are o limită de pornire (viteză minimă) extrem de scăzuta, ca urmare a unor lagăre cu autoungere speciale.

Senzor pentru măsurarea radiației solare

Piranometrul este potrivit pentru măsurători ale radiației solare (în W/m2) în domeniul lungimilor de undă 400 pâna la 700 nm. Senzorul are o corecție de cosinus încorporată și asigură o performanță ridicată având o dependență de temperatura mai mică de 0.5% într-o gamă de 50°C. Este încapsulat într-o carcasă protejată la interferențe electromagnetice. Acest senzor este foarte util pentru calculul evapotranspirației.

Senzor de tip pluviometru

Pluviometrul funcționează pe principiul unei cupe cu auto-golire. Este un sistem patentat, unic în lume și care asigură o precizie deosebită a măsurării cantității de precipitații. Cupa basculează și se golește automat în momentul în care a acumulat o cantitate exacta, prestabilită de apă. Colectorul de apă este fabricat dintr-un material plastic foarte rezistent la căldura, îngheț si radiații ultraviolete, extrem de rezistent la condițiile dificile ale mediului exterior.

Senzor pentru măsurarea conținutului de apă din sol

Senzorul este disponibil pentru diferite adâncimi (0,5, 1,0, 1,5 si 2,0 metri) și ofera o precizie mai bună de 1% apa din volumul de pamânt, în timp ce repetabilitatea este mai bună de ±1%. Pentru a elimina variabilitatea cauzată de factorii inerenți din producție, fiecare senzor este normalizat individual prin preluarea valorilor contoarelor înregistrate în condiții de aer și apa, astfel încât din punct de vedere matematic valorile de ieșire ale senzorilor sunt identice în condiții egale de măsura. Pentru a obține rezultate perfecte, normalizarea se face chiar în tubul final în care va fi montat senzorul. Pe de alta parte, pentru a corela valorile de ieșire ale senzorului cu conținutul de apă din sol, se recomandă o calibrare suplimentară la locul implantării în funcție de tipul solului în care va fi montat senzorul. O ecuație standard de calibrare este disponibilă și ofera coeficienții de corelare pentru o gamă largă de tipuri de sol, de la cele nisipoase pâna la cele argiloase. Un avantaj al acestui senzor este acela ca permite măsurarea cantității de apă în adâncimea solului pe întreg profilul acoperit de senzor. Adâncimea de măsură se întinde până la 3 metri și pe un diametru de 50 mm în jurul senzorului. Este ideal pentru observarea cantității de apă din soluri cultivate sau pajiști la care sunt necesare date despre apă din adâncime. O variantă specială a senzorului oferă și posibilitatea măsurării temperaturii solului, pentru aplicații care au nevoie și de acest parametru. Partea electronică este turnată într-un material plastic robust; o data instalat, senzorul nu are nevoie de întreținere și are o durata de viață de până la 10 ani.

Senzor pentru măsurarea temperaturii solului

Senzorul a fost special dezvoltat pentru a măsura temperatura solului la diverse adâncimi. El este încapsulat într-o tija metalică rezistentă la coroziune care poate fi introdusa în sol pâna la adâncimea de 30 cm (măsuratorea se execută la vârful tijei). [7]

Senzor pentru măsurarea nivelului apei

Acest senzor de nivel de apă este compensat intern digital si este utilizabil într-o gamă larga de aplicații. Este echipat cu o cutie de egalizare având ca scop compensarea presiunii atmosferice. Senzorul are o stabilitate deosebită. El poate rezista la o suprapresiune de aprox. 4 ori presiunea dată de capătul de scală. Senzorii sunt oferiți pentru diferite game de măsura, de la câteva zeci de cm pâna la 10 m.

Senzor de apă pentru puțuri de mare adâncime

Acest senzor este deosebit de util în situații în care măsurarea nivelelor de apă trebuie facută la mari adâncimi (câteva sute de metri), ca de exemplu în puțuri de mare adâncime. El funcționează pe principiul transmiterii digitale a datelor: o cutie cu componetele electronice montată la suprafață, asigură pe de o parte comunicația prin cablu la nivel digital cu senzorul; pe de alta parte convertește valorile digitale și livrează o valoare analogică către stația de măsură distanța. Electronica din cutia de comandă asigură și compensarea valorilor măsurate cu presiunea atmosferică.

Senzor pentru măsurarea conductibilității apei

Fiind unul dintre cei mai importanți parametri utilizați în industria asigurării calității apei, acest senzor de conductibilitatea apei furnizează măsuratori de înaltă precizie și nu are nevoie de întreținere aproape de loc. El este oferit în câteva game de măsură atât pentru apă potabilă cât și apă reziduală. Măsurarea conductibilității apei se face în curent alternativ sinusoidal cu frecvență de aproximativ 2 kHz. [7]

Capitolul 4

Argumentarea teoretică

4.1 Reflexia internă totală a luminii prin fibra optică

Când lumina trece printr-un mediu dens, de exemplu membrana senzorului, și întâlnește o limită de demarcație cu unghi abrupt (mai mare decât unghiul critic al suprafeței), lumina va fi reflectată în întregime. Efectul este folosit în fibra optică pentru a păstra lumina în miez. Lumina se deplasează prin fibră reflectându-se de o parte și de alta a limitei cu teaca. Deoarece lumina trebuie să lovească limita de demarcație la un unghi mai mare decât cel critic, doar lumina care intră în fibră într-o anumită gamă de unghiuri poate traversa fibra fără a ieși din ea. Această gamă de unghiuri se numește con de acceptanță al fibrei. Dimensiunile conului de acceptanță depind de diferența de indice de refracție între miez și teacă. În termeni simpli, există un unghi maxim față de axa fibrei sub care lumina poate intra în fibră astfel încât să se propage prin miez. Sinusul acestui unghi maxim este deschiderea numerică a fibrei. Fibra cu deschidere numerică mare necesită mai puțină precizie la tăiere și la lucru decât cea cu deschidere mică. Fibra monomodală are deschidere numerică mică.

Fig. 4.1 Reprezentarea conului de acceptanță al POF

Cu creșterea unghiului θi crește și unghiul θr. Din cauza efectului de refracție θr crește mult mai repede decat θi . La un moment dat θr va atinge valoarea de 90° in timp ce θi este mult mai mic decât atât. Acest fenomen se numește „unghi critic”. Cand θi crește mai mult decât refracția, lumina începe să fie reflectata decât refractata.

Lumina este reflectata foarte bine la o interfață între 2 materiale cu indicele de refracție diferit dacă: lumina este incidenta pe interfața din partea indicelui de refracție mai mare, unghiul θi este mai mare decat „unghiul critic”.

Daca cunoaștem indicii de refracție al ambelor materiale atunci unghiul critic poate fi aflat foarte ușor din Legea lui Snell:

unde n2 este indicele de refracție al mediului optic mai putin dens, iar n1 este indicele de refracție al mediului optic mai dens.

4.2 Dispersia luminii prin fibra optică

Fig. 4.2 Disipația luminii

4.3 Reflexie difuză

Propagarea luminii prin miezul unei fibre optice se bazează pe reflexia internă totală a undei de lumină. Suprafețele neregulate, chiar și la nivel molecular, pot reflecta razele de lumină în direcții aleatoare. Aceasta se numește reflexie difuză sau împrăștiere, și este caracterizată de regulă de o mare varietate de unghiuri de reflexie.

Împrăștierea luminii depinde de lungimea de undă a luminii împrăștiate. Astfel apar limite ale scării de vizibilitate, în funcție de frecvența undei incidente și de dimensiunea fizică a centrului de împrăștiere, care este de regulă o trăsătură microstructurală specifică. Întrucât lumina vizibilă are o lungime de undă de ordinul sutelor de nanometri și micronilor, centrele de împrăștiere vor avea dimensiuni similare.

Astfel, atenuarea provine din împrăștierea incoerentă a luminii pe suprafețele de contact interne. În materiale (poli)cristaline cum ar fi metalele sau ceramica, pe lângă pori, majoritatea suprafețelor interne sunt de forma limitelor intergranulare care separă regiuni mici de cristal. Dacă dimensiunea centrului de împrăștiere se reduce sub dimensiunea lungimii de undă, împrăștierea nu mai are o amploare semnificativă. Acest fenomen a dat naștere producției de materiale ceramice transparente.

4.4 Indicele de refracție

Indicele de refracție este o măsură a vitezei luminii printr-un material. Viteza de deplasare a luminii în vid este de 300 de milioane de metri pe secundă. Indicele de refracție al unui mediu se calculează împărțind viteza luminii în vid la viteza luminii în mediul respectiv. Deci, prin definiție, indicele de refracție al vidului este 1. Valoarea tipică pentru teaca unei fibre optice este 1.46. Valoarea miezului este de regulă 1,48. Cu cât este mai mare indicele de refracție, cu atât mai încet se propagă lumina prin mediu. Semnalul din fibra optică va călători, astfel, cu o viteză de aproximativ 200 de milioane de metri pe secundă, propagându-se astfel la 1000 de kilometri distanță în decurs de 5 milisecunde.

4.5 Aproximarea membranei senzorului prin intermediul plăcilor plane

4.5.1 Plăci plane

4.5.2 Generalități

Numeroase organe de mașini și elemente de construcții au forma de plăci plane sau curbe (planșee, cilindri, rezervoare, capace de cilindri și rezervoare etc.)

Elementele geometrice care caracterizează o placă sunt: forma și dimensiunile suprafeței mediane și grosimea măsurată perpendicular pe suprafața mediană. După forma suprafeței mediane se disting: plăci plane și plăci curbe sau învelitori. În funcție de mărimea grosimii de disting: plăci subțiri sau membrane, care nu pot prelua solicitări de încovoiere și plăci groase care rezistă la încovoiere.

Sarcinile aplicarte plăcilor se consideră că acționează perpendicular pe suprafața mediană a plăcii. Acestea pot fi: concentrate, distribuite liniar și distribuite pe suprafață. [19]

Ecuațiile folosite pentru modelarea membranei sunt următoarele:

D este modulul de ridigitate al plăcii la încovoiere și are următoarea expresie:

,unde E – modulul de elasticitate al lui Young pentru cauciuc [MPa]

e – grosimea membranei [mm]

– coeficientul lui Poisson pentru cauciuc [-]

Calcularea unui punct oarecare din secțiunea mediană a plăcii este dată de relația:

Semnul negativ al săgeții este legat de sistemul de referință adoptat față de care săgeata v scade pe măsură ce variabila r crește.

Deci ecuația secțiunii medii deformate este:

Constantele de integrare se determină punând condițiile la limită pentru diferitele cazuri de rezemare a plăcii ținând cont că:

= 0, în centrul plăcii, întrucât încărcarea este simetrică,

= 0 și = 0, pe contur, dacă placa este încastrată,

= 0 și σr = 0, pe contur, dacă placa este simplu rezemată

Calculul săgeții pentru o placă încastrată pe contur solicitată de o forță distribuită pe greutatea din centrul membranei care are rol de accelerometru se face cu următoarea formulă:

, unde D este modulul de ridigitate [MPa*mm]

R este raza membranei [mm]

p este forța care apasă pe membrană

este raportul dintre raza membranei și raza greutății

este coeficientul lui Poisson pentru cauciuc

Cu ajutorul formulei de mai sus am realizat și implementat modelul matematic în Scilab, pe baza căruia am obținut graficele cu deformația membranei.[19]

Capitolul 5.

Construcția standului experimental

5.1 Schema bloc a standului experimental

In cele ce urmează va fi prezentată schema de bloc a standului experimental folosit pentru încercarea senzorilor optici de accelerație, respectiv de presiune.

Pentru proiectarea standului au fost luate în considerare următoarele aspecte:

Standul experimental trebuie să ofere mijloacele de a detecta semnale de accelerație, respectiv de presiune provenite de la senzorii folosiți în domeniul siguranței pasive;

Conceptul de achiziție trebuie să fie simplu și portabil, ușor conectabil la calculator;

Informația provenită de la senzori trebuie să fie stocată pe calculator, astfel încât să fie posibilă reconstruirea semnalelor originale bazate pe informațiile stocate;

Prin intermediul standului de încercare, trebuie să fie posibilă crearea condițiilor similare cu cele din cazul coliziunii automobilelor;

Standul trebuie să ofere două căi independente de achiziție de date în

același timp (un canal pentru senzorul de referință, un canal pentru senzorul optic);

Fig. 5.1 Schema bloc a standului experimental

Standul experimental are două canale de achiziție; la unul dintre ele este legat senzorul de referință (1), la celălalt este legat senzorul optic care urmează să fie testat. Senzorii sunt plasați într-un mediu de încercare (2), care permite crearea condițiilor asemănătoare coliziunilor automobilelor. Pe canalul senzorului de referință (3) este plasat un dispozitiv SPY-RSU (5) care are rolul de a converti informația provenită de la senzorul de accelerație, având interfețe de comunicare PSI. Acest dispozitiv poate fi deconectat prin intermediul comutatorului (4) pentru a efectua încercări la senzori care nu dispun de interfețe PSI și livrează direct informații analogice.

Pentru analiza datelor analogice provenite de la senzorul de referință, respectiv de la senzorul optic, este folosit un osciloscop . Informația transmisa de la senzorul de referinta si cel optic este preluata de placa de achizitie (6) si apoi este introdusă într-un convertor analog – digital (7), care digitalizează semnalul și îl trimite la calculator (8). Senzorul optic (12) care urmează să fie testat, este amplasat în același mediu (2) de încercare cu senzorul de referință (1).

Senzorul optic (12) este legat prin intermediul fibrelor optice (11) la partea de emisie (9), respectiv recepție (10) semnal optic. Aceste elemente au rolul de a transforma informația optică în informație electrică analogică, semnal care este conectat la al doilea canal de intrare al osciloscopului (7). Datele citite de convertorul analog – digital sunt digitalizate și trimise la calculator prin intermediul unei interfețe USB (Universal Serial Bus). Interpretarea datelor se face prin intermediul SW dezvoltat mediul de dezvoltare Scilab.

5.2 Componentele standului experimental

5.2.1 Placa de achiziție date

Figura de mai jos prezintă modulul electronic responsabil pentru emiterea fascicolului luminos, respectiv recepționarea acestuia. Pentru partea de emisie a fost folosită o diodă LED (IF-E96) . Dioda LED folosită la experimente emite în domeniul vizibil ochiului uman, având culoarea roșie, Alimentarea acesteia este realizata prin conectarea la mufa USB a calculatorului.

Fig 5.2.1 Placa de achizitie date

Fig.5.2.2 Schema internă a circuitului realizată în programul Dip Trace 2.0

Alimentarea se realizează prin intermediul mufei USB la o tensiune de 5V și 500 mA. De la aceasta se conectează placa de achiziție pe care este montată fotodioda IF-E96 și fototranzistorul IF-D91 prin care se realizează emisia – recepția luminii de la senzorul optic de accelerație. Pentru a ajunge la tensiunea de 1.6V necesară pentru alimetarea fototranzistorului și fotodiodei se folosesc cele 2 rezistențe de 300 Ω, respective 330 Ω și cei 2 condensatori de 100pF și 100nF pentru a reduce zgomotul formelor de undă. Fototranzistorul dupa receptionarea semnalului luminos emis de fotodiodo transmite acesta informatie prin filtrul RC pe intrarea Left a mufei audio. Pe intrarea Right este conectat senzorul de referință, care este alimentat de la RSU Spy. Mufa audio se conectează la intrarea Line-In a plăcii audio Creative Sound Blaster Xi-Fi Surround 5.1. Această placă audio va transmite mai departe informațiile printr-o mufă USB la PC care va prelucra semnalul cu ajutorul programului Scilab, rezultand o diagrama a semnalului celor doi senzori.

5.2.2 LED de culoare roșie de tipul IF – E96

IF – E96 este un LED roșu cu un preț de cost scăzut, cu o viteza mare, stocat într-o carcasă care adapostește și fibra optica plastica. Fiecare LED de acest tip are o carcase din polycarbonat, elemente interne de tipul LED sau foto-tranzistoare. Spectrul de ieșire are o lungime de unda de 660nm, care este o fereastră de transmisie optimă PMMA pentru fibra optică plastică. Pachetul mai conține lentile interne mici și carcasa de precizie de tip PBT pentru a îmbunătății împerecherea cu fibră optică plastică standard de 1mm.

Caracteristici:

carcasa din plastic cu un preț de achiziție scăzut

îmbinări pentru fibra optică plastica de 1mm

nu este nevoie de nici un design optic

oglinzi interne mici pentru îmbinare optică eficientă

carcasa din plastic cu un preț de achiziție scăzut

liniaritate excelentă

lumina la ieșire vizibilă

transmisie lipsită de interferențe și o carcasa ușoară si închisă

Aplicații:

aparate electrocasnice

motor controlat de declanșare

instrumente medicale

componente electronice din automotive

sisteme audio

jocuri electronice

realizarea comunicării dintre roboți

Fig.5.2.3 Intensitatea luminii în funcție de curent

Fig.5.2.4 Răspunsul normalizat în funțtie de lungimea de undă

Parametrii:

vârful lungimii de undă λpeak = 660nm

lungimea de bandă spectrală Δλ = 20nm

puterea de ieșire cuplată la fibra optică plastică Φmin = 200μW [8]

5.2.3 Fototranzistor de tipul IF – D91

IF – D91 este un fototranzistor cu o viteza mare care este situat într-o carcasă care mai conține și fibra optică plastică. Răspunsul optic al lui IF – D91 este extins de la 400 la 110nm, făcându-l compatibil cu o gamă larga de LED – uri normale si infraroșii. Aici includem si LED-urile de 650nm folosite pentru transmisia optimă în fibră optică plastică de tipul PMMA. Pachetul mai conține lentile interne mici si carcasa de precizie de tip PBT pentru a îmbunătății împerecherea cu fibra optica plastica standard de 1mm.

Caracteristici:

timpi rapizi de ridicare și coborare

îmbinări pentru fibra optica plastica de 1mm

nu este nevoie de nici un design optic

carcasa din plastic cu un preț de cost scăzut

oglinzi interne mici pentru îmbinare optică eficientă

compatibil RoHS

carcasa ușoară și închisă asigură o transmisie fără interferențe

Aplicații:

link-uri digitale de date de mare frecvență

arii locale de rețele

link-uri video

instrumente medicale

componente electronice din automotive

realizarea comunicării dintre roboți

modem-uri de fibră optică

izolari de semnal EMC/EMI

Fig.5.2.5 Răspunsul normalizat în funcție de lungimea de undă

Parametrii:

lungimea de undă maximă pentru fotosensibilitatea maximă λpeak = 880nm

lungimea de bandă spectrală Δλ = intre 400 si 1100 nm[9]

5.2.4 Mufa USB

USB-ul (Universal Serial Bus) care înseamnă Magistrală Serială Universală este o specificație ce stabilește comunicația între anumite dispozitive și gazda ce le controlează (calculatoare obișnuite). USB-ul este capabil de a conecta majoritatea perifericelor, precum mouse-uri, tastaturi, camere digitale, imprimante, hard-diskuri externe etc.

Există două feluri de a trimite informații printr-un cablu sau chiar de la aplicație la aplicație: serial și paralel. Este o interfață serială rapidă, bidirecțională, ieftină și ușor de folosit.

Avantajele mufei USB față de vechea interfață serială RS-232 sunt:

– rata de transfer mai mare – poate atinge 12 Mbps față de 115 000 bps;

– conectează pâna la 127 de dispozitive la PC, ( operează ca o magistrală) în comparație cu RS-232 la care se puteau conecta doar 2 dispozitive;

– ușor de utilizat de către utilizatorul final – adăugarea/eliminarea de dispozitive în/din sistem este foarte comodă;

– are un protocol flexibil;

– este o soluție ieftină de interconectare.

USB este o magistrală pe cablu care permite schimb de date între un calculator gazdă și o gamă largă de periferice accesibile simultan. Magistrala permite ca perifericul să fie atașat, configurat, folosit și deconectat în timp ce gazda și celelalte periferice operează.

Magistrala USB definește trei categorii de dispozitive fizice:

– gazda USB (USB Host)

– funcții USB (USB function)

– distribuitoare USB (USB Hub)

Acestea sunt interconectate într-o topologie specifică de tip stea multiplă. [10]

Mufa USB tată Mufa USB mamă

Fig. 5.2.6 Tipuri de mufe USB

5.2.5 Filtru RC

Un circuit format dintr-o rezistență și o capacitate prin care trece o tensiune sau o sursă de curent se numește circuit RC, sau filtru RC sau rețea RC. Cicuitele RC sunt folosite pentru a filtra un semnal prin blocarea unor frecvențe și prin trecerea altora. Cele mai comune 4 filtre RC sunt : filtru trece-sus, filtru trece-jos, filtru trece-bandă, filtru staționar-bandă.

Cel mai simplu circuit RC este format dintr-o rezistență si un condensator legați în serie. Când un circuit este format doar dintr-un condensator încarcat si o rezistență, condesatorul își descarcă energia stocată prin rezistență. [11]

Cele două filtre folosite de noi sunt: filtru trece-jos și filtru trece-sus.

Filtrul trece-jos permite trecerea semnalelor de frecvență joasă și blochează trecerea celor cu o frecvență mai înaltă decât frecvența de tăiere.

Într-un circuit simplu trece-jos capacitiv sau inductiv, frecvența de tăiere reprezintă frecvența la care reactanță capacitivă este egală cu rezistență (ambele valori fiind exprimate în ohmi).

Filtrul trece-sus permite trecerea semnalelor de frecvență înaltă și blochează trecerea semnalelor cu o frecvență mai joasă decât frecvența de tăiere.

Produsul dintre rezistență și capacitate (R*C) ne dă constanta de timp (), care este invers proporțională cu frecvența de tăiere, la care puterea de ieșire este jumatate din puterea de la intrare. Frecvența de tăiere este dată de următoarea relație:

Tipuri de filtre RC folosite:

Fig.5.2.7 Filtru trece-jos

Fig.5.2.8 Filtru trece-sus

5.2.6 Placă audio Creative Sound Blaster X-Fi Surround 5.1

X-Fi Surround 5.1 are o interfață USB2.0, telecomandă wireless și ieșire anlogică pentru sistem de boxe 5.1.

Caracteristici:

X-Fi Surround 5.1 este o soluție proiectată pentru vizionarea filmelor datorită canalului audio 5.1 și ascultarea muzicii cu efecte X-Fi. Nu prea este recomandată pentru jocuri pe calculator. [15]

5.2.7 Mufă audio stereo 3.5mm

Un conector TRS de obicei numit mufă audio, mufă pentru telefon, mufă audio stereo, mini-mufă, mufă pentru căști, este un conector audio analog obișnuit. Are o forma cilindrică, de obicei cu 3 contacte, uneori cu 2 (conector de tip TS) sau cu 4 contacte (conector de tip TRRS). Este de mai multe dimensiuni: inițial a fost inventat cel de 6.35mm și după aceea au urmat cele de 3.5mm si de 2.5mm. Numele conectorului deriva de la cele 3 părți conductoare ale lui: T = tip (vârf), R = ring (inel), S = sleeve (mânecă).

Fig. 5.2.9 Mufă audio stereo aurită de 3.5mm

Părți componente:

1 – mânecă: masa mufei

2 – inel: canal drept

3 – vârf: canal stâng

4 – inele de izolație

5.2.8 Spy RSU

Spy RSU decodează informația primtă de la interfața PSI 5 (interfata care modulează în curent) senzorului de referință și o transformă într-o formă analogică (variație a tensiunii). Spy RSU nu trebuie să perturbe legătura cu ECU. Spy RSU are următoarele ieșiri:

– o ieșire analogică pentru a se putea observa variatia tensiunii pe osciloscop

– un port numeric pentru a face achizițiile cu un analizor logic

– o conexiune de tip USB pentru ca Spy-ul sa poată trimite datele la un calculator în timp real

– o conexiune serială sau de tip USB pentru a configura Spy RSU (Remote Sensor Unit)

Fig.5.2.10 Diagrama bloc a lui Spy RSU

Fig 5.2.11 Spy RSU

5.2.9 Proiectarea senzorului

Varianta aleasă pentru testare este un senzor de accelerație cu fibră optică extrinsec, bazata pe variatia intensitatii luminii reflectate, datorate deformatiei membranei elastice la modificarea acceleratiei. De obicei acest tip de senzor are o construcție simplă și necesită o procesare de semnal de o complexitate relativ modestă printr-o detectare directă a evoluției variatiei intensității luminii care este receptionata de fototranzistor. În figura de mai jos se observă varianta de senzor folosită:

Fig. 5.2.12 Varianta de senzor testat in vederea implementarii

În interiorul senzorului se introduc două fibre optice plastice, una pentru emisia și cealaltă pentru recepția luminii. Pe partea superioară a carcasei se află membrana, deasupra căreia este fixată în mijloc o greutate care are rol de accelerometru. Aceasta este pretensionată cu un inel de fixare. Diametrul fibrei optice plastice este de 1 mm. Diametrul membranei este de 5 mm. Distanța de la capătul fibrei optice la partea inferioară a membranei, pe care se reflectă lumina, este de 2 mm, aceasta distanta a fost aleasă ca urmare a testării senzorului obtinandu-se cea mai bună sensibilitate.

5.2.10 Testarea senzorului implementat

O variantă extinsecă a senzorului optic de accelerație bazată pe intensitate a fost construită pentru a fi testată. În interiorul senzorului sunt introduse cele două POF. Fibra transmisivă și cea receptivă sunt fixate în carcasa din plastic, cilindrică, a senzorului cu un adeziv special pe bază de rășină epoxidică. Membrana este confecționată din latex care pe partea interioara a senzorului are proprietati reflexive. Membrana este fixata în jurul carcasei cilindrice cu un inel metalic care are rol si pretensionare și de etanșare a acesteia. Deasupra membranei este fixată o greutate fabricată din latex. În figura de mai jos observăm varianta finală de testare a senzorului optic de accelerație bazată pe variatia intensitatea luminii:

a) b)

Fig.5.2.13 Variante de senzori testate

( a-senzor cu membrana incastrata; b-senzor cu membrana exterioara )

5.2.11 Conexiunea dintre POF și fotodiodă respectiv POF și fototrantzistor

Fibrele optice care ies din senzor sunt conectate la sistemul de achiziție de date prin intermediul a doua carcase, una în care se află LED-ul roșu pentru fibra transmisivă și cealaltă, un fototranzistor pentru fibra optică receptivă. Carcasele din plastic sunt compatibile cu diametrul fibrei optice plastice pentru că se dorește ca piederea de lumină între acestea și fibra optică să fie cât mai mică.

Fig.5.2.14 Carcasă plastic fototranzistor și fotodiodă

5.2.12 Caracteristicile membranei

Pe baza formulelor prezentate în capitolul 4 (de la aproximarea membranei senzorului cu ajutorul plăcilor), s-a realizat un model matematic în programul Scilab 5.2.1. În modelul matematic creat s-a introdus pe lângă formulele din cartea de Rezistența Materialelor a lui D.R. Mocanu următoarele valori: forța aplicată pe membrană care variază între 0 și 0.05 N plus alte constante; grosimea membranei care este de 0.13 mm, diametrul membranei, 5 mm, coeficientul lui Poisson pentru cauciuc μ = 0.49 [14] și modulul de elasticitate al lui Young tot pentru cauciuc E = 10^4 MPa

Pe baza modelului matematic pe care l-am realizat în Scilab au rezultat următoarele diagrame:

Fig.5.2.15 Deformația membranei în funcție de variația grosimii ei

Fig.5.2.16 Deformația membranei în funcție de variația coeficientului lui Poisson pentru cauciuc

Fig.5.2.17 Deformația membranei în funcție de variația modulului de elasticitate al lui Young pentru cauciuc

Diagrama nr.4, nr.5 reprezintă deformația membranei, sub acțiunea unei forțe aplicate în centrul acesteia și sub acțiunea unei presiuni distribuite pe intreaga suprafață a membranei. Aceste diagrame au fost realizate utilizând metoda elemetului finit în programul Ansys 11.0.The dynamic diagram shows the global component with the services that enter and those that exitThe static diagram describes the operating mode of the component itself and shows how it transforms the serv

Example : for an EEPROM driver, it could be realize the 2 following diagrams :

Fig.5.2.18 Deformația membranei sub acțiunea forței

Fig.5.2.19 Deformația membranei sub acțiunea unei presiuni distribuite uniform pe suprafața acesteia

5.2.13 Explicarea diagramelor

Primele patru figuri au fost făcute în Scilab 5.2.1 prin realizarea unui model matematic în care s-au implementat formulele din cartea de rezistența materialelor.

Se observă o apropiere a valorilor între fig.5.9,în care deformația depinde de variația grosimii membranei și fig.5.11, în care deformația depinde de variația modulului de elasticitate al lui Young pentru cauciuc. În ceea ce privește deformația, cea optimă se obține în fig.5.11 adică, 1.5 * 10^-4 mm ceea ce înseamnă 150 μm. Deformația membranei se observă cel mai bine în fig. 5.10, dar nu este optimă deoarece în această figură deformația este și cea mai mare. În funcție de forța aplicata pe membrană aceasta se deformează mai mult sau mai puțin. Dacă se modifică ceoficientii in functie de care variaza fiecare diagrama de mai sus, atunci vor fi reprezente mai multe curbe de deformare ale membranei.

Ultimele 2 grafice s-au făcut în Ansys 11.0 prin crearea unor modele statice determinate plecând de la desenul membranei în format .sat realizat în Pro Engineer Wildfire 4.0. În primul model creat s-a introdus forța și în cel de-al diolea presiunea care acționează pe membrană și valorile acestora. Apoi s-a introdus un nou material format din următoarele valori: modulul de elasticitate al lui Young pentru cauciuc și coeficientul lui Poisson pentru cauciuc. După care programul a rezolvat modelul și ne-a returnat figurile cu deformația membranei.

5.2.14 Diagrama bloc a datelor introduse în Scilab:

Datele de intrare introduse în Scilab avand valori diferite, rezulta grafice care indică deformația diferita a membranei.

Note : it is important to find in those diagrams, all the exported data as variables, services, functions, …

Methodology point :

Those diagrams have to be defined during the software preliminary conception review..

***************************************************************************************************************************

Fig. 5.2.20 Diagrama bloc a implementării datelor în Scilab

5.3 Construcția mecanică a standului experimental

Unul din țelurile propuse de autor a fost construcția unui stand experimental care permite crearea condițiilor apropiate de cele din cazul coliziunilor. Standul a fost conceput ca să permită executarea experimentelor pentru senzori de accelerație și de presiune. Acesta a fost materializat folosind un mecanism cu pendul, prezentat în figura următoare.

5.3 Schița mecanică a standului experimental

a.) Varianta pentru testarea senzorilor de accelerație;

b.) Varianta pentru testarea senzorilor de presiune

Fig 5.4 Varianta pentru testarea senzorilor de accelerație;

Unde:

h – este distanța dintre masa m2 și cupla de rotație a brațului pendulului; d – lungimea brațului pendulului;

– este unghiul determinat de axa de simetrie verticală a coloanei de sprijin și brațul pendulului;

– este greutatea pendulului;

m2 – este masa corpului care simulează modelul barei de protecție (la o scară redusă) a automobilului folosit pentru testarea senzorilor de accelerație;

CP – este camera de presiune care simulează cavitatea din ușa automobilului folosit pentru testarea senzorilor de presiune.

Folosind mecanismul cu pendul, repetabilitatea vitezei sau presiunii de impact este asigurată, aceasta fiind necesară pentru reproducerea condițiilor similare în măsurări repetate. în definirea modelului matematic, forța de frecare a fost neglijată pentru calcularea vitezei de impact. Aceasta se datorează greutății mari amplasate la capătul pendulului. Pe de altă parte, evenimentul cel mai important este prima ciocnire a pendulului, pentru care o să fie determinat comportamentul senzorilor. Pentru a determina parametrii la impact, trebuie scrise ecuațiile pentru punctele (1) respectiv (2) din figura anterioară.

(1)

Unde este energia cinetica, iar este energia potentiala a masei aflada la inaltimea . Valoarea lui poate fi calculata utilizand urmatoarea formula :

Analog pot fi scrise ecuațiile pentru punctul (2) :

(2)

Din realatiile de mai sus poate fi calculata viteza de impact a masei in punctul (2) :

Pentru modelarea compotamentului unei coliziuni trebuie calculata viteza finala a corpului dupa ciocnire. Astfel pe corpul cu greutatea sunt montati si cei 2 senzori de acceleratie care furnizeaza date pe parcusul evenimentului de coliziune.

Pentru cazul unei ciocniri total elastice poate fi scrisă următoarea relație :

Împărțind relațiile rezultă :

Astfel :

Admitem ca viteza initiala a corpului cu greutatea este 0, rezulta :

Inlocuind termenii ecuatia devine :

Corpul cu greutatea este de fapt un subansablu care modelează comportamentul barei de protecție al autovehiculului. Acesta este construit dintr-un sistem masa-elemente elastică, care în cazul ciocnirii absoarbe o parte din energia cinetică și o stochează sub formă de energie potențială în arcuri. Lungimea de comprimare a arcurilor este definită de opritoare care au rolul de a proteja senzorii și de a simula capătul zonei deformării elastice.

Capitolul 6

Testarea senzorului

6.1 Testarea senzorului optic de accelerație

In acest capitol se prezintă rezultatele experimentale obținute în urma experimentelor folosind prototipuri de senzori optici de accelerație. Au fost executate o serie de teste pentru determinarea caracteristicilor principale ale acestor senzori. In urma acestor teste au fost determinate:

Domeniului de măsurare;

Acuratețea senzorului;

Timpul de răspuns;

Linearitatea senzorului;

Echipamentele folosite la testarea senzorilor optici de presiune, respectiv de accelerație:

Osciloscop Tektronix™ MSO4034 – folosit pentru măsurarea intensității reflectate

Mediul de dezvoltare Scilab [S.2] – folosit pentru achiziționarea paralelă a datelor de la senzorul de referință, respectiv optic de accelerație;

Microsoft™ Excel™;

Senzor de referință de accelerație;

– Stand experimental.

6.2 Teste aplicate senzorului optic de acceleratie

6.2.1 Domeniul de măsurare

Scopul experimentului: Scopul acestui experiment este de a determina valoarea minimă și maximă între care senzorul livrează date corecte. In cazul în care sunt aplicate valori în afara acestui domeniu, senzorul livrează valori constante ori eronate, sau chiar poate fi avariat.

Metoda de testare:

Pe standul experimental au fost montați doi senzori:

un senzor de referință, având domeniul de măsurare de ±120g ;

un prototip de senzor optic de accelerație.

Brațul pendulului de pe standul experimental a fost poziționat la un unghi de 120 de grade, de unde a avut o cădere liberă pe placa de coliziune. Valorile provenite de la senzori au fost înregistrate cu ajutorul unui osciloscop, după care au fost prelucrare în mediul de dezvoltare scilab.

Concluzii:

Tabel 6.1

Tabelul de mai sus prezintă domeniul de măsurare a senzorului de referință. După cum se poate identifica, printr-o direcție senzorul optic de accelerație acoperă un domeniu mai mare, datorită distanței optime aleasă la construcția prototipului. In cazul în care este necesar același domeniu de măsurare pe amândouă axele, distanța dintre membrană și capătul fibrelor optice trebuie să fie ajustată.

6.2.2 Linearitatea senzorului

Scopul experimentului: este de a determina cât diferă valorile provenite de la senzor față de o curbă ideală. în anumite cazuri, senzorii nu au un răspuns linear pe un domeniu, în cazuri diferite pentru redresarea acestui comportament sunt folosite tabele de calibrare pentru diferite domenii.

Metoda de testare: Folosind standul experimental, au fost aplicate pe placa de coliziune diferite impacturi. Valorile livrate de la senzori au fost măsurate si prelucrate prin intermediul unui SW dezvoltat in programul Scilab.

Concluzii:

Fig 6.1 Liniaritatea senzorului optic de acceleratie

SRE-senzor de referinta; SOA-senzor optic de acceleratie

A fost analizată linearitatea valorilor livrate de la cei doi senzori (figura de mai sus), pentru a determina deviația cauzată față de o valoare teoretică. Domeniul de analiză este cuprins între 50 respectiv 80 g.

Tabel 6.2

Tabelul de mai sus arată deviațiile maxime de la linia teoretică. După cum se poate observa, senzorul optic de accelerație livrează valori mai apropiate de curba ideală decât cel de referință. Acest comportament favorizează acuratețea valorilor obținute de la acest senzor.

6.2.3 Acuratețea senzorului

Modul de testare: Prin intermediul standului experimental s-au aplicat pe placa de coliziune o serie de impacturi. Datele măsurate au fost prelucrate și au fost filtrate pentru eliminarea elementelor perturbatoare, după care a fost stabilită funcția de transformare a mărimilor dintre cei doi senzori. Valorile astfel obținute au fost comparate cu diferite seturi de date, iar deviația maximă a fost calculată pentru o valoare specifică.

Tabel 6.3 Determinarea acurateței senzorului optic de accelerație

Concluzii: Tabelul de mai sus arată că senzorul optic de accelerație are o deviație maximă de aproximativ de ±0.3 g față de senzorul de referință. Acesta constituie un rezultat bun, ținând cont că senzorii de accelerație cu această rezoluție (±120 g) ajung la o acuratețe de aproximativ ±0.25 g. Acuratețea senzorului optic indică rezultate bune pentru a fi posibilă aplicarea acestora pentru detectarea coliziunilor la automobile.

6.2.4 Timpul de raspuns

Metoda de testare: Pe standul experimental au fost montați doi senzori, un senzor de referință și un prototip de senzor de accelerație. Cu ajutorul pendulului au fost aplicate o serie de șocuri de accelerație pe placa de coliziune a standul experimental Datele au fost filtrate prin intermediul unui program scilab [S.2] dezvoltat de autor, după care a fost măsurată distanța dintre maximele valorilor achizitionate.

Concluzii:

Figura de mai jos prezintă rezultatul măsurătorii. După cum se poate observa, senzorul optic de accelerație are un timp de răspuns mai scurt decât senzorul de referință. Datele au fost achiziționate la un interval de 10 us, iar diferența dintre primele maxime au fost măsurate cu scilab [S.2], și a indicat 150 de unități. De aici se poate calcula diferența care este de 1.5 ms pentru senzorul de referință.

Fig 6.2 Timp de raspuns- sensor optic de accelerație

6.3 Rezultatul testelor

Folosind standul experimental, pe placa de coliziune s-au aplicat diferite viteze de coliziune. Pentru fiecare măsurare s-a verificat comportamentul algoritmului și informația livrată. Scenariile de coliziune au fost organizate în felul următor:

Tabel 6.4 Scenarii de coliziune pe standul experimental

Scenariile cele mai importante sunt cele care au o viteză de coliziune mai mare sau egală cu 20 km/h. Pentru o coliziune frontală reală acesta este pragul (20 km/h) la care algoritmul trebuie să decidă dacă trebuie să activeze sistemele de protecție. De obicei sunt o serie de teste executate pe automobile reale pentru a strânge date suficiente de calibrare ale algoritmului pentru acest domeniu. Acest lucru este necesar pentru a fi posibilă distingerea cazurilor de activare eronată a sistemelor de protecție la aceste viteze reduse.

Comportamentul sistemului este greu de identificat, bazat doar pe semnalele de accelerație. Integrând semnalul de accelerație este obținută viteza plăcii de coliziune.

Fig 6.3 Date prelucrate la 30°

Fig 6.4 Date prelucrate la 60°

Fig 6.5 Date prelucrate la 90°

Fig 6.6 Date prelucrate la 120°

Concluzii:

Datele provenite de la senzorii de pe standul experimental au fost comparate cu date provenite de la coliziuni reale, la 20 km/h, care au confirmat același comportament al senzorului optic cu cel real.

Bazat pe rezultatele obținute prin intermediul algoritmului dezvoltat de autor, senzorul optic de accelerație poate fi folosit la detectarea coliziunilor

CAPITOLUL 7

CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

Proiectul de diplomă prezintă implementarea și testarea unui senzor extrinsec de accelerație cu fibră optică. Acestea au fost bazate pe cunoștiințele acumulate în facultate și pe demonstrațiile teoretice. Ultima fază de testare a senzorului optic de accelerație ne-a dezvăluit rezultate promițătoare și cu o cercetare suplimentară si cu o serie de teste mai amănunțite senzorul ar putea fi implementat și folosit în viitor pentru a sesiza modificările de accelerații laterale și să sesizeze date precise în cazul unui impact lateral respectiv frontal. Variația tensiunii senzorului optic este mai mare decât a celui de referință, ceea ce duce la performanțe superioare ale acestuia. Având în vedere faptul că membrana este confecționată din cauciuc obișnuit, fabricarea acesteia din materiale de ultima generație și folosirea unor sisteme mai complexe de demodulație timpul de răspuns și sensitivitatea senzorului ar putea fi mult îmbunatățite. Costul realizării senzorului au fost foarte scăzute în concordanță cu materialele folosite. Analiza costurilor suplimentare se va face în viitor.

Cercetările viitoare ale senzorului vor fi axate pe modul în care senzorul reacționează la diferite schimbări de temperatură, implementarea unei variante care să reziste la temperatură înaltă (deoarece senzorul va fi plasat ori în ușa automobilului ori în compartimentul motor), implementarea unei variante care folosește mai multe fibre ceea ce rezultă că mai multe fibre vor capta și returna lumina din membrana senzorului, schimbarea conturului de demodulare, crearea și montarea diferitelor carcase ale senzorului în funcție de domeniul de aplicație, implementarea senzorului într-o versiune mai mică folosind fibră de sticlă care are diametrul mai mic decât fibra optică plastică.

Pe baza cercetărilor teoretice și experimentale rezulta următoarele concluzii:

Lanțul de achiziție de date funcționează și poate fi folosit pentru detectarea coliziunilor;

Tipul senzorilor optici extrinseci, modulați în intensitate oferă o implementare ușoară și un proces tehnologic simplu de realizat, care duce la optimizarea costurilor de producție.

Tipul semnalului optic care este emis prin mediul optic poate fi ales în funcție de felul aplicației (ex. lumină infraroșie/vizibilă/ultravioletă).

Consumul de curent la senzorii optici este mai mic decât al senzorilor actual folosiți pentru detectarea coliziunilor. Acesta aduce optimizări pe partea de realizare HW a Unității Centrale Electronice (exemplu: dacă sarcina electrică necesară pentru alimentarea senzorilor în cazul coliziunilor, care trebuie stocată în condensatori electrici scade, scad și costurile de material);

Soluția de senzori optici separă cele două părți, electronica de elementul senzitiv. Eliminarea electronicii și a cablurilor conductorilor din construcția senzorului îl face pe acesta imun ia interferențe electromagnetice;

Standul experimental realizat permite crearea condițiilor asemănătoare unei coliziuni la o viteză mică tip frontală, respectiv laterală;

Algoritmii de detectare realizați permit studiul evenimentelor rapide și al coliziunii. Pot fi folosiți pentru studierea evenimentelor încă din prima fază de proiectare – dezvoltare pentru testarea algoritmilor de coliziune;

Contribuții personale

Am conceput funcții in programul Scilab pentru prelucrarea datelor provenite de la osciloscop. [Anexa 1]

Am implementat funcții pentru filtrarea semnalului cu ajutorul filtrului Butterworth de ordinul 3, și alte filtre folosite pentru filtrarea semnalelor senzorilor de accelerație in domeniul automotive. [Anexa 2]

Am calculat cu ajutorul funcților din Scilab, deformatia membranei senzorului de accelerație și am implementat modelul matematic al acesteia. [Anexa 3]

Am realizat teste generice in vederea :

definirii distantei optime dintre membrane și capatul fibrelor optice

determinarea pierderilor de intensitate la fibrele inconvoiate

definirea caracteristicilor echipamentului de achiziții de date

am testat o varietate de led-uri cu diferite intensitați și culori pentru a obtine o valoare cat mai precisă a semnalului măsurat

Am confecționat si testat senzorii de accelerație și presiune, calculand: timpul de raspuns, acuratețea, liniaritatea, domeniul de măsurare.

Am construit și imbunătațit montajul electronic pentru transformarea intensității luminoase reflectate in mărimi electrice [Anexa 4]

Am realizat cu ajutorul generatorului de semnal, teste pentru compararea datelor provenite de la osciloscop cu cele obtinute de programul realizat in Scilab și calibrarea acestora. [Anexa 5]

Referințe:

[1] Francis T. S. Yu, Shizhuo Yin, (2002) Fiber Optic Sensors

[2] Senzori cu accelerometru http://www.electronics-manufacturers.com/info/sensors-and-detectors/accelerometer-sensor.html

[3] Fibră optică, http://ro.wikipedia.org/wiki/Fibr%C4%83_optic%C4%83

[4] Senzori optici, http://facultate.regielive.ro/proiecte/optica/senzori_optici- 74790.html?in=all&s=senzor optic

[5] www.didactic.ro/files/13/senzori.doc

[6] Bosch sensors used in automotive, Sensors.pdf

[7] Referat despre senzori, http://www.referat.ro/referate/download/Senzori_7a30f.html?t=1

[8] IF-E96 caracteristici, http://www.i-fiberoptics.com/leds/IFE96R.pdf

[9] IF-D91 caracteristici, http://www.i-fiberoptics.com/leds/IFD91.pdf

[10] Mufă USB, http://ro.wikipedia.org/wiki/USB

[11] Filtru RC, http://en.wikipedia.org/wiki/RC_filter

[12] Filtru trece-jos, http://en.wikipedia.org/wiki/Low_pass_filter

[13] http://www.circuiteelectrice.ro/curent-alternativ/filtre/filtru-trece-jos

[14] Filtru trece-sus, http://en.wikipedia.org/wiki/High_pass_filter

[15] Placă audio Creative Sound Blaster X-Fi Surround 5.1, http://ixbtlabs.com/articles3/multimedia/creative-xfi-surround-51-p2.html

[16] Conector TRS, http://en.wikipedia.org/wiki/TRS_connector

[17] Coeficientul lui Poisson pentru cauciuc, http://en.wikipedia.org/wiki/Poisson%27s_ratio

[18] Modulul de elasticitate al lui Young pentru cauciuc, http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_module

[19] D.R. Mocanu, (1980) Rezistența materialelor

Anexe

Anexa 1

Prelucrarea datelor provenite de la osciloscop.

function [Data, Data1]=LoadCSV2Data(fileName)

Data = [];

Data1 = [];

txt=mgetl(fileName);

counter = 1;

nr = size (txt,1); //get number of lines

for i=1:nr //iterate line by line

= isletter( part(txt(i),2:2));

//test if comment

if then

//do nothing

else

//data is received

//test if line contains chars

if regexp(txt(i),'/[0-9]/')>=1

//disp(txt(i));

//get values

t = tokens(txt(i),',');

……………………………………………………………………………………………………………

end //endif

end //end for

endfunction

Anexa 2

//––––––––––––––––––––––––––––

// The purpose of the function is to compute the coeficients for the transfer function

// that is used to filter the input signal.

// The input values are taken from Filter_file_processing_function (Pole,Residue,Pi,Ri,Pr,Rr)

// and from Data_Loader_function (Sampling_rate_f,Data_f)

// The output of the function is ploting the filtered signal and saving it

//––––––––––––––––––––––––––––

function Filter_signal(Pole, Residue, Pi, Ri, Pr, Rr, Sampling_rate, Data, FileName)

///––––––––––––––––––––––––––––––

/// Reading the vector values from "n" files

/// Reading the Sampling Rate values from "n" files

///––––––––––––––––––––––––––––––

for qq=1:(length(Data)/2)

fValues=Data(FileName(qq))

samplr=Sampling_rate(FileName(qq))

out=[];

///––––––––––––––––––––––––––––––

///Computing the real coeficients

///––––––––––––––––––––––––––––––

if (length(Pole))<>0

for z=1:length(Pole)

aa(z) = exp(Pole(z)./samplr);

bb(z) = Residue(z).*(aa(z)-1.0)./Pole(z);

end

……………………………………………………………………………………………………………

///––––––––––––––––––––––––––––––

/// Recording real coeficients if it exists

///––––––––––––––––––––––––––––––

p_index=0;

if length(Pole)<>0

for i=1:length(Pole)

filtcoef_r(i+p_index)=aa(i);

p_index=p_index+1;

filtcoef_r(i+p_index)=bb(i);

end

else filtcoef_r=[];

end

///––––––––––––––––––––––––––––––

///Recording complex coeficients if it exists

///––––––––––––––––––––––––––––––

pi_index=0;

if length(Pi)<>0

for i=1:length(Pi)

filtcoef_i(i+pi_index)=cc(i);

pi_index=pi_index+1;

filtcoef_i(i+pi_index)=dd(i);

pi_index=pi_index+1;

filtcoef_i(i+pi_index)=ee(i);

pi_index=pi_index+1;

filtcoef_i(i+pi_index)=ff(i);

end

else filtcoef_i=[];

end

lOldValues=[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0]';

///––––––––––––––––––––––––––––––

/// Filtering the signal using real coeficients

///––––––––––––––––––––––––––––––

if length(Pole)<>0

for h=1:length(fValues)

fValue=fValues(h);

k = 1;

fOutputTemp=[];

fOutputBuffered=[];

……………………………………………………………………………………………………………

end ///for Unfiltered vecrtor length(Data)

end ////if length(Pole)<>0

///––––––––––––––––––––––––––––––

/// Filtering the signal using complex coeficients

///––––––––––––––––––––––––––––––

k = 1;

if length(Pi)<>0

for h=1:length(fValues)

fValue=fValues(h);

fOutputTemp=[];

fOutputBuffered=[];

for j=1:length(Pi)

……………………………………………………………………………………………………………

///Ploting and saving the filtered signal

///––––––––––––––––––––––––––––––

clf;

subplot(211);

plot(Data(FileName(qq)));

xtitle('Original signal');

subplot(212);

plot(out);

xtitle('Filtered signal');

xs2jpg(0,'Flt_Sgn'+string(qq)+'.jpg');

end

Anexa 3

Programul de mai jos reprezintă deformația membranei în funcție de variația modulului de elasticitate al lui Young pentru cauciuc.

mode(0);

clc;

clear;

//––––––––––-

//Date de intrare

//––––––––––––

E=50000000:7000000:150000000; //Pa Modulul lui Young pentru cauciuc

e=0.00013; //m Grosimea membranei

R=0.0025; //m Diametrul membranei

r=-R:0.00005:R; //m Raza (variabilă)

Fn=0.015; //N Forța aplicată pe membrană

miu=0.49; // Coeficientul lui Poisson pentru cauciuc

p=Fn/(%pi*(R^2));

k=1;

l=1;

li=[];

li = list(li,[]);

//–––––––––––––

for i=1:1:length(E)

D=0; v =0;

l=1;

j=0;

ves =[];

for j= 1:1:length(r)

D=(E(i)*e^3)/(12*(1-miu^2));

v = ((p*R^4)/(64*D))*(1-(r(j)/R)^2)*((5+miu)/(1+miu)-(r(j)/R)^2); // (formula din rezistența materialelor folosită pentru calculul săgeții plăcilor plane circulare încarcate simetric)

ves(l) = v;

l=l+1;

end

k=k+1;

plot2d(r,-ves);

xtitle ('v – deformația membranei în funcție de E')

end

Următorul program reprezintă deformația membranei în funcție de variația grosimii acesteia:

clc;

clear;

//––––––––––-

// Date de intrare

//––––––––––-

E=100000000; //Pa Modulul lui Young pentru cauciuc

e=0.0001:0.00001:0.0002; //m Grosimea membranei

R=0.0025; //m Diametrul membranei

r=-R:0.000005:R; // m Raza (variabilă)

Fn=0.015; //N Forța aplicată pe membrană

miu=0.49; // Coeficientul lui Poisson pentru cauciuc

p=Fn/(%pi*(R^2));

k=1;

l=1;

li=[];

li = list(li,[]);

//–––––––––––––

for i=1:1:length(e)

D=0; v =0;

l=1;

j=0;

ves =[];

for j= 1:1:length(r)

D=(E.*e(i).^3)./(12*(1-miu^2));

v = ((p*R^4)/(64*D))*(1-(r(j)/R)^2)*((5+miu)/(1+miu)-(r(j)/R)^2); //[15]

ves(l) = v;

l=l+1;

end

k=k+1;

plot2d(r,-ves);

xtitle ('v – deformația membranei în funcție de e')

end

Programul următor reprezintă deformația membranei în funcție de variația coeficientului lui Poisson:

mode(0);

clc;

clf;

clear;

//––––––––––-

// Date de intrare

//––––––––––-

//p=const; d nue const; E=const;

E=100000000; //Pa Modulul lui Young pentru cauciuc

e=0.00013; //m Grosimea membranei

R=0.0025; //m Diametrul membranei

r=-R:0.00005:R; // m Raza (variabilă)

Fn=0.015; //N Forța aplicată pe membran

miu=0.2:0.06:0.8; // Coeficientul lui Poisson pentru cauciuc

p=Fn/(%pi*(R^2));

k=1;

l=1;

li=[];

li = list(li,[]);

//–––––––––––––

for i=1:1:length(miu)

D=0; v =0;

l=1;

j=0;

ves =[];

for j= 1:1:length(r)

D=(E*e^3)/(12*(1-miu(i)^2));

v = ((p*R^4)/(64*D))*(1-(r(j)/R)^2)*((5+miu)/(1+miu)-(r(j)/R)^2); //rezemat

//v = ((p*(R^4))/(64*D))*(1-(2*((r(j)/R)^2))+((r(j)/R)^4)); //incastrat

ves(l) = v;

l=l+1;

end

k=k+1;

plot2d(r,-ves);

xtitle ('v – deformația membranei în funcție de miu')

end

Calculul reflexiei luminii

dpof=0.0022; //m diametrul fibrei optice plastice (POF)

D=0.002; // distnanța de la POF la membrană

rr=0.1275; // rugozitatea membranei de cauciuc cu diametrul de 5mm http://www.roti-role-rotile.ro/informatii_tehnice.xhtml

wlpof=880*10^(-9) //m cantitatea de lumina transmisă prin POF de la fotodiodă de tip IF-D91 http://www.i-fiberoptics.com/leds/IFD91.pdf

I1=7.64; //cd/m^2 intensitatea fotodiodei IF-D91 transmisă prin POF

n=1.0003; // indicele de refracție al aerului http://hypertextbook.com/facts/2005/MayaBarsky.shtml

n1=1.48; // indicele de refracție al miezului POF http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

n2=1.46; // indicele de refracție al pereților POF http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber

// Calculul conului total de acceptanță sau Apertura Normală între miezul și pereții POF

teta=asind(sqrt((n1^2)-(n2^2))/n); // grade http://www.fiberoptics4sale.com/Merchant2/optical-fiber.php

//Calculul unghiului critic

teta_critic=asind(n2/n1) //degrees http://en.wikipedia.org/wiki/Total_internal_reflection

//Calcularea suprafeței pe care se reflectă lumină de la POF

a1=90; //grade

a2=teta; // grade

a3=180-(90+teta); // grade

l1=D/sind(a3); //m

l2=sqrt(l1^2-D^2); //m

l=dpof+(2*l2); //m lugimea totală pa care lumina de la POF se reflectă pe membrană

//Calculul cantității de lumină care se reflectă pe membrană

wlmb=(l*wlpof)/dpof

Anexa 4

Montaj electronic pentru transformarea intensitatii luminoase refletate in marimi electrice

Anexa 5

Generator de semnal

Tektronix AFG3021B

Osciloscop

TektronixTM MSO4034

Anexa 6

Standul experimental