5.2 Wireless Passive Saw Sensors
5.2.3 Applicazioni
5.2.3.3 Sensori di pressione, accelerazione
E’ possibile realizzare un sensore di pressione mediante un diaframma di quarzo che si deforma sotto l’azione di una pressione. Perchè cio avvenga è necessario che ci sia una pressione costante di riferimento sulla faccia opposta, imposta realizzando una camera sigillata ermeticamente accoppiando il diaframma ad un supporto anch’esso di quarzo. Su tale faccia trova posto la
delay line che consente riflessioni su un ampio spettro. Le due parti sono incollate mediante un adesivo epossidico. Essendo realizzate
ntrambe dello stesso materiale e
risultano minimizzati gli stre rmici tra le parti accoppiate, qui te
sensitività alla temperatura. Si riescono ad ottenere risoluzioni dell’1% rispetto al valore limite. In un dispositivo progettato per un range da 0 a 250kPa, entrambe le parti presentano uno spessore di 500 μm. Si osserva che la velocità di fase, nelle sezioni sottoposte a trazione, risulta minore, in quelle sottoposte a compressione, maggiore. Risultano necessari almeno tre riflettori, ma nella realizzazione in esame ne sono stati impiegati 10 per incrementare la risoluzione. L’effetto dalla temperatura risulta abbastanza trascurabile, almeno su un range -20°÷100°C. A 250 kPa il diaframma tocca il supporto, ciò costituisce una protezione da sovraccarichi.
Sono stati realizzati, in questo modo, anche sensori di pressione per pneumatici.
Mediante una massa sismica posta all’estremità di una struttura flessibile a sbalzo è invece possibile realizzare un accelerometro.
5.2.3.4 Sensori di coppia.
ediante SAW è possibile implemen
vato coefficiente di accoppiamento eare alla temperatura.
5 riflettori. Il segnale riflesso sul ime di 1 μs. Gli altri quattro sono s e 4500 μs rispettivamente. Due o alloggiamento con un angolo presenta, su uno stesso chip, tre
asse dell’albero alla coppia nominale è ε± =±2.2*10-4.
M tare anche sensori di coppia,
applicabili, ad esempio, ad alberi di trasmissione. Ricalcando il principio di funzionamento degli strain gauge resistivi, in maniera indiretta sfruttano le tensioni e le deformazioni meccaniche della struttura.
E’ stato realizzato un dispositivo che consente sia misure di temperatura che di coppia, a tal fine è stato utilizzato per il substrato l’LiNbO3
caratterizzato al contempo da un ele elettromeccanico e da una risposta lin E’ costituito da una delay line con primo riflettore presenta un delay t separati da 0.125 μs, 0.275 μs, 1.250 μ sensori vengono posti in un medesim relativo di 90°. Un terzo dispositivo
SAW path, orientati in tre direzioni differenti, che si sovrappongono: gli effetti di eventuali differenze di temperatura presenti lungo ciascun path vengono, quindi, minimizzate, incrementando significativamente l’accuratezza della misura.
Il sensore è stato provato su un albero cavo, sottoposto a cicli di riscaldamento e raffreddamento. La coppia di carico è stata generata mediante pesi agganciati ad un manovellismo applicato all’albero. Seguendo specifiche di progetto tipiche per alberi in acciaio, la coppia nominale, per definizione, causa una tensione tangenziale di 35 N/mm2 al raggio massimo dell’albero. La tensione normale nelle direzioni a
±45° rispetto all’ 45°
L’albero in esame ha un diametro di 20 mm e la coppia nominale di ∼ 50Nm è stata esercitata mediante un peso da 10Kg su un braccio lungo 0,5m.
Nel caso, il sensore è provvisto di packaging ed assicurato all’albero mediante collarini. Sono possibili altre soluzioni, come, ad esempio,
fissare direttamente il cristallo del SAW
che consentono di migliorare la trasmissione del
tuttavia non sono indicate per applicazioni sensoristiche su m macchinari in un
su una spianatura dell’albero, lo sforzo al sensore,
otori e ambito produttivo.
er ottenere un ampio range dinamico che consentisse misure ontemporanee di coppia e temperatura sono state implementate diverse elay line di differente lunghezza. Il delay time più piccolo è di 0.025μs consente misure di fase senza ambiguità su un range di 490°C. Tuttavia setup dei test effettuati ha previsto un range ridotto, da 0 a 85°C. La igliore risoluzione si ottiene sfruttando il delay time più grande, di one di fase di 0.1°, consentendo osì una risoluzione per la coppia migliore dell’1% del valore nominale.
e misurato.
enterebbero una variazione P c d e il m
4.5μs. Per i test, si è adottata una risoluzi c
L’esperimento prevede che la fase dei segnali RF riflessi sia misurata per delay line orientate a ±45° rispetto all’asse dell’albero. La somma e la differenza delle fasi forniscono, rispettivamente, la misura della temperatura e della coppia.
In figura è descritto come i segnali varino con la temperatura, mantenendo la coppia costante. Concordemente alle attese, la somma delle fasi mostra una forte dipendenza dalla temperatura, la differenza, invece, lievi variazioni, traducibili in una variazione del valore della coppia pari all’1% del valore nominale. L’accuratezza può essere incrementata utilizzando il segnale relativo alla temperatura simultaneament
A temperatura costante, la coppia viene variata in un range paria a ±1.6 il valore nominale (±1.6Mn). I
risultati sono mostrati in figura. La differenza di fase misurata è racchiusa in un intervallo ±25°. La somma delle fasi, come una misura di temperatura, è all’incirca costante, le fluttuazioni rappres
apparente di ±2°C. Nel caso si abbia bisogno di valori di
temperatura più accurati, è possibile ottenerli valutando i valori di coppia simultaneamente misurati.
I risultati riportati sono stati ottenuti sfruttando le delay line a 0.125 μs. In molti casi la risoluzione così raggiungibile risulterà sufficiente
coppia - a
i fase misurata e la coppia a tutte le ibile ricavare un’approssimazione
e T) che consente un’accuratezza, dell’1%.
implementazioni che ricalcano
fisico Risoluzione
(qualche °C) per le misure di temperatura, ma non per quelle di coppia. Incrementando il delay time a 4.5 μs, le fluttuazioni del segnale verranno ridotte proporzionalmente, e la risoluzione per la coppia aumenterà all’incirca allo 0.2% del valore nominale.
In figura, vengono mostrati i risultato dell’esperimento che effettivamente dimostra la possibilità di effettuare misure simultanee di coppia e temperatura: viene ricavata la caratteristica temperatura-coppia del sensore, spazzando un range di temperatura di 0÷75°C e di
1.5÷1.5 Mn. La risposta di coppi
risulta chiaramente dipendente dalla temperatura; ma, il dato significativo è che, comunque, c’è una relazione priva di ambiguità tra la differenza d temperature. La deviazione dell’anda linearità è lieve, quindi è poss polinomiale del terz’ordine (in M rispetto alle caratteristiche misurate, Sul mercato sono già presenti strettamente questo schema.
5.2.3.5 Risoluzioni tipiche.
mento delle funzioni ricavate dalla
Misurando Effetto
identificazione analisi del segnale 32 Bit temperatura variazione dalla Sdi velocità AW 0.1 K grandezze meccaniche (pressione, coppia, accelerazione..) variazione de
elasticlle costanti he 1% del full scale distanza delay del segnale 20 cm posizione relativa effetto Doppler 2 cm posizione angolare effetto Doppler 3°
5.2.4 Bibliografia.
- L. Reindl, "Wireless Passive SAW Identification Marks and
Sensors", in Proc. of the 2nd Int. Symp. Acoustic Wave Devices
for Future Mobile Communication Systems, Chiba Univ. 3rd niv.
ww.honeywell.com
H. Scherr, U. Wolff, F. Schmidt,
SAW radio transponders as
UFFC, Vol. 45, No. 5, Sep. 1998, dl, V. Magori, "Remote sensing of
passive surface acoustic wave
of the 1994 IEEE Ultrasonics Finland & Partners, “Intelligent
, blhofer, "Redout Unit for Wireless
stable SAW based tagging
- L. Reindl, R. Steindl, Ch. Hausleitner, A. Pohl, G. Scholl,
io sensors”, SENSOR 2001, Proceedings
SENSOR ´2001, Vol. 1, 2001, pp. 331-336
- Review of Sensors", tions
l. 47, N pp. 317-332
- Steindl, neration o ve radio
s asur
a nology Conf., IMTC/99,
-1733
- Steindl steiner, E. R Seifert,
sensor re and other urands”,
o 99, N 424-429
- A. Pohl, R. Steindl, L. Reindl, “The ’Intelligent Tire’ utilizing
Passive SAW Sensors - Measurement of Tire Friction“, IEEE
3rd- 5th March, 2004
- Container logistics, www.baumerident.com - (SAW) Torque Sensor Technology, w
- L. Reindl, G. Scholl, T. Ostertag,
"Theory and application of passive sensors", IEEE Transactions on
pp. 1281-1292
- F. Schmidt, O. Sczesny, L. Rein
physical parameters by means of devices (‘ID TAG’)", in Proc.
Symp., pp. 589-592
- Technical Research Centre of
Tyre Systems – State of the Art and Potential Technologies”
APOLLO Consortium
- A. Stelzer, S. Schuster, S. Schei
SAW Sensors and ID-Tags", in Proc. of the 2nd Int. Symp.
Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems, Chiba Univ. 3rd niv. 3rd- 5th March, 2004
- G. Bruckner, R. Hauser, A. Stelzer, L. Maurer, R. Teichmann, J. Biniasch, L. Reindl, “High temperature
system for identifying a pressure sensor”, Proc. 2003 IEEE Freq.
Contrl. Symp., 2003
“Wireless passive rad
A. Pohl, "A wireless SAW IEEE Transac on UFFC, Vo o. 2, March. 2000,
A. Pohl, R. L. Reindl, “A new ge
s for ultraf f passi requestable SAW IEEE Instrument 1999, pp. 1728 L R. ensor ast me
tion Measurement Tech
ements”, Proc. 16th
. Reindl, , A. Pohl, J. Horn iha, F.
“Passive SAW s for temperatu meas
Transaction on Instrumentation and Measurement, Vol. 48, No. 6, Dec. 1999, pp. 1041-1046
dustrial and domestic
Symp.,
-
- A. Pohl, R. Steindl, L. Reindl, “Measurements of vibration and
acceleration utilizing SAW sensors“, SENSOR'99 Vol.2,
Nürnberg, Germany, 1999, pp. 53-58
- G. Scholl, F. Schmidt, T. Ostertag, L. Reindl, H. Scherr, U. Wolff,
“Wireless passive SAW sensor systems for in
applications“, Proc. 1998 IEEE Frequency Control
pp.595-601
- A. Pohl, G. Ostermayer, L. Reindl, F. Seifert, “Monitoring the tire pressure at cars using passive SAW sensors”, in Proc. IEEE
Ultrason.Symp., Toronto, pp. 471-474, 1997
- G. Ostermayer, A. Pohl, L. Reindl, F. Seifert, “Multiple Access to E
SAW Sensors Using Matched Filter Properties”, Proc. IEE
Ultrasonics Symposium, Toronto, 1997, pp. 339-342
L. Reindl, G. Scholl, T. Ostertag, C. C. W. Ruppel, W.-E. Bulst, F.Seifert, “SAW devices as wireless passive sensors”, in Proc. of the 1996 IEEE Ultrasonics Symp., pp. 363-367
5.3 Il Torsiometro Alternativo.
L’analisi teorica e le prove sperimentali condotte mostrano come sia effettivamente possibile implementare sul banco prova un sistema di rilevamento della coppia basato sulla misura della torsione di un albero. Numerose le indicazioni di tipo qualitativo emerse:
2.4.1.4: considerare un tratto della catena cinematica insistente su uno stesso albero in modo da permettere un calcolo più accurato ed indipendente dal tipo di Test Articles montate della Rigidezza Torsionale ed ovviare ai fenomeni di martellamento dei TA a bassi valori di coppia e di recupero dei giochi a seconda dei versi di rotazione e coppia
2.4.1.5: evitare il sampling multiplexato
2.4.1.7: evitare di utilizzare come riferimenti di lettura per i pickup teste di vi i Il loro profilo, specie per le “brugole”, non t è sufficientemente netto, squadrato, introducendo nella forma d’onda delle “gobbe”. Dopo essere state serrate, inoltre, gli esagoni risultano ruotati in posizioni diverse. Infine, le posizioni dei fori non sempre risultano angolarmente equispaziate.
.4.2.7: come riferimenti possono essere utilizzati indifferentemente ave o dentelli purchè abbiano profili estremamente netti. Oltre che sulla
rma, ciò incide sull’ampiezza picco-picco del segnale. Fronti ripidi e ssenza di “gobbe” secondarie che potrebbero indurre equivoci consente i contenere il peso computazionale degli algoritmi per la eterminazione del punto caratteristico.
.1: disporre un numero dispari di riferimenti così da facilitare un ampionamento asincrono nell’ottica di mantenere risoluzioni ccetabili, pur utilizzando frequenze di acquisizione ragionevoli, fruttando le incertezze sulle misure derivanti dalla discretizzazione
mporale, effettuando medie su un numero sufficientemente elevato di ampioni.
.2.1.4: utilizzare un sensore il cui pole-tip sia adeguato alla forma ed lle dimensioni dei riferimenti.
.4.2: adottare il metodo del ritardo. . 2 c fo a d d 3 c a s te c 3 a 3
3.4.3: utilizzare un circuito squadratore per l’ ensione.
adeguamento dei livelli di
S, purchè il segnale t
4.1.1: utilizzare uno stesso numero di riferimenti ma sfalsati di un angolo almeno pari alla massima torsione prevista.
4.1.2: adottare un dispositivo squadratore a CMO bbia un’ampiezza sufficientemente elevata.
a
5.3.1 I riferimenti.
La soluzione più semplice ed efficace appare rilevare la torsione del dummy. Si pensa di praticare sul bordo delle flange 39 tacche.
Le dimensioni delle tacche sono state determinate sperimentalmente utilizzando
ali tachimetrici.
La simmetria circolare evita sbilanciamenti, gli ingombri risultano ridottissimi.
I riferimenti sono stati sfalsati di:
360/(39*2) ≅ 4,61°
.3.2 I sensori.
e temperature, le vibrazioni e la presenza di olio hanno impedito l’uso i sensori ottici. La necessità di alimentarli ha, invece, sfavorito la andidatura di sensori digitali.
e doti già evidenziate (v. 3.2.1) e la possibilità di “squadrarli” in aniera egregia (v. App.C) hanno, definitivamente, fatto ricadere la celta sui Pickup a Riluttanza Magnetica Variabile, sensori analogici,
assivi.
l fine di argomentare ulteriormente la scelta, può esere utile onfrontare le caratteristiche tecniche di alcuni sensori di questo tipo con ltri di due tipologie differenti, tutti disponibili a catalogo (v. 5.3.2.5).
come sensori i pickup adoperati per i segn