Heute werden wir über eine so interessante Sache wie einen Vibrationssensor sprechen; sein Umfang hängt von Ihrer Vorstellungskraft ab. Ich habe es zum Beispiel als Sensor verwendet, indem ich es auf den Rahmen geklebt habe, an dem die Tür montiert ist. Lassen Sie uns nun über das Gerät selbst sprechen. Die Sensorschaltung wurde von mir persönlich entwickelt und ist nirgendwo im Internet verfügbar – nur auf unserer Website. Seine Eigenschaften sind wie folgt: Das Gerät beginnt sofort nach der ordnungsgemäßen Montage zu arbeiten - das heißt, es benötigt keine Einstellungen, die uns nicht so gut gefallen. Die Empfindlichkeit ist einfach erstaunlich - zehn Meter entfernt führt es eine Art Tanz auf. Ein Mikroamperemeter oder eine LED beginnt mit Ihnen zu tanzen. Hier ist die Vibrationssensorschaltung selbst:

Ich habe den LM358-Chip verwendet, weil er meiner Meinung nach der am weitesten verbreitete Operationsverstärker ist, in jedem Radiogeschäft erhältlich ist und einen Cent kostet. Als letzten Ausweg kann man es aus einer Krabbe reißen – ein universelles Batterieladegerät Mobiltelefone oder von Autoalarm- dort sind sie oft im Empfangsteil zu finden, sie können auch durch LM324 ersetzt werden - es hat eine Plus-Stromversorgung für das vierte Bein und eine Minus-Stromversorgung für das elfte Bein, das achte und natürlich schließen wir nicht mehr an; vierte. Wir kaufen einen Piezo-Lautsprecher oder holen ihn uns von toten Taschenrechnern, Armbanduhren, Fahrradpiepsern und anderem Piepspielzeug. Ein Mikroamperemeter findet sich in sowjetischen Tonbandgeräten, Verstärkern oder Avometern (alten Testern). Der Piezo kann durch eine LED oder einen kleinen Lautsprecher mit geringem Stromverbrauch (ca. 20 Milliampere, dann R6 entfernen) ersetzt werden. Widerstände R3, R5 – können im Bereich von 1k bis 3k3 liegen, Hauptsache, sie haben den gleichen Wert. Widerstand R4 – beeinflusst die Empfindlichkeit, weniger Widerstand- höhere Empfindlichkeit (das Minimum, das ich eingestellt habe, war 0,33 Ohm - es ist in einer Entfernung von 5-6 Metern schleichend zu spüren). R1, R2 innerhalb von 47k ... 220k, auch beide mit den gleichen Bewertungen. R6 als Strombegrenzung, geeignet für Mikroamperemeter und LED. Kondensatoren C1 und C2 von 1μ bis 47μ. Stromversorgung des Vibrationssensors
vielleicht sogar von einer 3,7 Volt Lithiumbatterie, dann kann R6 für die LED entfernt werden. Im Grunde alles, wenn man alles gesammelt hat notwendige Details- Sie können mit dem Zusammenbau beginnen. Zuerst bauen wir die Sensorschaltung mithilfe eines Operationsverstärkers zusammen und berühren die Piezodynamik nicht. Wir schauen uns hier die Möglichkeit der Platinenherstellung an:

Schauen wir uns nun den Piezo-Lautsprecher an. Es besteht aus einer Mitte eines piezoelektrischen Elements, die zum Löten auf der Oberseite beschichtet ist, und einer Platte (normalerweise aus Bronze oder vernickeltem Eisen), auf der sich auf einer Seite die gleiche Mitte eines piezoelektrischen Elements befindet. Wir löten einen Draht in die Mitte des piezoelektrischen Elements, löten das andere Ende des Drahtes an Pin 3 der Mikroschaltung, löten dann die Platte direkt an die Platine und befestigen auf der dem piezoelektrischen Lautsprecher gegenüberliegenden Seite der Platine einen Feder (für größere Empfindlichkeit) siehe Bild. Der Vibrationssensor ist also zusammengebaut, Sie können ihn überprüfen. Wir schließen den Strom an und warten, bis sich die Feder beruhigt. Wenn der Ausgang „0“ anzeigt (die LED leuchtet nicht oder das Mikroamperemeter zeigt „0“ an), klicken Sie mit den Fingern oder klatschen Sie, der Sensor sollte reagieren. Wenn alles funktioniert, ist alles in Ordnung. Wenn nicht, überprüfen Sie, ob Kurzschlüsse vorliegen und ob alles richtig angeschlossen ist. Die Mikroschaltung sollte im Allgemeinen funktionieren, auch wenn Sie sie von einem Gerät entfernt haben (sie ist nicht belastet). Wenn Sie sich für die Funktionsweise dieses Sensors interessieren, lesen Sie hier. Ein Operationsverstärker verfügt über zwei Eingänge (einer mit „+“ und der andere mit „-“) und einen Ausgang. Wenn wir an den „+“-Eingang mehr Spannung anlegen als an den „-“-Eingang, ist der Ausgang „+“, aber im Gegenteil, der Ausgang ist „-“. Laut Schaltung ist die Spannung am „+“-Eingang um ein paar Millivolt geringer als am „–“-Eingang und daher haben wir „-“ am Ausgang. Nun ist der Piezo-Lautsprecher so eine coole Sache, dass er wandelt Schall oder Vibration in Spannung umwandeln (ich hatte sogar ein LED-Leuchten vom Piezo-Lautsprecher, indem ich einfach mit einem Bleistift darauf schlug), und wenn es vibriert, erhöht es die Spannung am Eingang „+“ und daher haben wir auch „+“ am Ausgang Vielen Dank im Voraus für die Wiederholung meines Entwurfs. Der Autor des Artikels ist Lesha „Linkshänder“, er hat das Gerät getestet: AKA.

DIY Vibrationssensor- Ergänzt durch ein einfaches Montagesystem und mehrere fliegengelötete Komponenten kann das piezoelektrische Element mechanische Stöße erkennen. Der Sensor selbst besteht aus einem keramischen Piezoelement und einer dünnen Messingscheibe. Diese Art der Baugruppe wurde früher in vielen Telefonapparaten als Quelle eines Rufsignals oder in verwendet Armbanduhr mit Wecker.

Je nach Einbauart kann der Sensor Stöße in Richtung einer Achse (Abbildung 16) oder dreier Achsen (Abbildung 16) wahrnehmen. Für einachsige Messungen löten Sie eine Kante des Sensors an die Schraube, die in der Montagebasis befestigt ist. Löten Sie ein Gewicht an die gegenüberliegende Kante, um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Ein Paar kleiner Haken, die an der Basis angebracht sind, schränken die Bewegung des Sensors ein und verhindern so einen Bruch des Piezoelements.

Wenn Sie möchten, dass das System dreidimensional stoßempfindlich ist, löten Sie eine Kante des Sensors auf die gleiche Weise wie im ersten Fall an die Schraube. An der anderen Kante eine Schraube mit einer Abflachung anlöten Senkkopf, in die entgegengesetzte Richtung zum Montagesockel gerichtet. Verwenden Sie ein Paar Sicherungsmuttern, um das polare Trägheitsmoment der Struktur zu erhöhen. Die Position der Kontermuttern bestimmt die Empfindlichkeit des Piezoelements. In beiden Fällen sollte die Lötzeit möglichst kurz sein, um die Verbindung des Piezoelements mit der Messingscheibe nicht zu zerstören.

Abbildung 2 zeigt einfache Schaltung Alarm. Mit einem guten Klick auf das piezoelektrische Element erscheint am 10-Megaohm-Widerstand R1 eine Spannung von mehreren Volt. Danach schaltet der Dual-Timer-Chip 1c1 den Schallsender für eine Minute mit einer Frequenz von 1 Sekunde ein. Der Schallgeber verfügt über einen eigenen integrierten Steuerkreis, der ein hohes Signal mit einem Schalldruck von 90 dB erzeugt.

Worum geht es in diesem Artikel?

Ein Vibrationssensor (Vibrometer) ist ein Gerät, mit dem Sie die Parameter von Vibrationsphänomenen bestimmen können. Vibrometer werden am häufigsten verwendet, um Folgendes zu bestimmen:

1. Vibrationsgeschwindigkeiten
2. Vibrationsbeschleunigung
3. Vibrationsbewegungen

Einfach ausgedrückt: Wenn ein vibrierendes Objekt als einfacher Oszillator betrachtet wird, können Sie mit einem Vibrometer sowohl Informationen über die Grundparameter seiner Schwingungen (Frequenz und Amplitude) als auch in einigen Fällen die spektralen Eigenschaften des Schwingungsprozesses erhalten.

Abbildung 1. Diagramm des Vibrationssensors.

Der allgemeine Schaltkreis eines Vibrationssensors besteht aus zwei Hauptblöcken (Abbildung 1): einem Vibrationswandler (1) und elektronische Einheit Verarbeitung (2). Funktioneller Zweck Der erste Block ist die Umwandlung mechanischer Schwingungen in ein elektrisches Signal. Es gibt mehrere Konvertierungsmechanismen:

• Piezoelektrisch
• Optik
• Wirbelstrom
• Induktion

Der Konvertierungsmechanismus bestimmt maßgeblich sowohl die Eigenschaften des Geräts als auch seine Kosten.

Der zweite Block – die elektronische Verarbeitungseinheit – dient der „Entschlüsselung“ des empfangenen Signals. Am Eingang solcher Blöcke befindet sich in der Regel ein Analog-Digital-Wandler, und der Hauptteil der Operationen am Signal wird in digitaler Form ausgeführt, die sich erweitert Funktionalität Nachbearbeitungsprozess, verbessert die Störfestigkeit und ermöglicht die Ausgabe von Informationen über eine externe Schnittstelle.

Beim Einsatz in der Produktion können stationäre Vibrometer als Sensoren Teil von Steuerungssystemen sein Rückmeldung Zu diesem Zweck verfügen einige Vibrometermodelle über ein analoges Ausgangssignal (normalerweise Spannung).

Um eine umfassende Charakteristik des Schwingungsprozesses zu erhalten, kann das Messsystem um einen Spektrumanalysator ergänzt werden. Wenn der Spektrumanalysator mehrkanalig ist, kann er als Grundlage für ein verteiltes Schwingungsdiagnosesystem mit mehr als einem Schwingungssensor dienen.

Derzeit gibt es bei den meisten Schwingungsmessgeräten zwei Typen:

1. Optisches Vibrometer
2. Piezoelektrisches Vibrometer

Schauen wir uns jeden Sensortyp genauer an.

Optisches Vibrometer

Die Funktionsweise eines optischen Vibrometers basiert wie Ultraschall-Wegsensoren auf dem Doppler-Effekt. Das Gerät enthält normalerweise eine Laserstrahlungsquelle, einen optischen Empfangsschaltkreis und einen elektronischen Verarbeitungsschaltkreis (Abbildung 2). Wenn Strahlung von einem stationären Objekt reflektiert wird, weicht die Wellenlänge des empfangenen Strahls nicht von der wahren Wellenlänge des Lasers ab. Bewegt sich ein Objekt entlang der Strahlungsachse, verschiebt sich die Wellenlänge der reflektierten Strahlung um einen bestimmten Betrag (Doppler-Effekt), dessen Wert und Vorzeichen Informationen über die Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung des Objekts sowie die dabei verwendete interferometrische Schaltung enthalten des empfangenden optischen Moduls ermöglicht die Bestimmung dieses Wertes. Somit modulieren Vibrationen der reflektierenden Oberfläche die Frequenzverschiebung, und die elektronische Verarbeitung dieses Modulationssignals ermöglicht es, die Parameter von Vibrationsschwingungen zu erhalten.

Abbildung 2. Schematische Darstellung eines optischen Vibrometers.

Trotz der Tatsache, dass optische Vibrometer eine Laserstrahlungsquelle enthalten, sind solche Geräte aufgrund der hohen Empfangsempfindlichkeit recht sicher optisches System Für Messungen reicht eine sehr geringe optische Leistung aus.

Einer der Hauptvorteile optischer Vibrometer besteht darin, dass die Diagnose mit ihrer Hilfe berührungslos durchgeführt werden kann, wenn sie in einem stationären Messkomplex eingesetzt werden und nur eine einzige Fokussierung auf die zu messende Oberfläche erforderlich ist. Darüber hinaus verfügen Geräte dieser Art über hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit, da sie keine beweglichen Elemente haben. Zu den Nachteilen gehört der recht hohe Preis.

Piezoelektrisches Vibrometer

Wie der Name schon sagt, die Grundlage der Arbeit dieser Art Die Geräte basieren auf dem piezoelektrischen Effekt – dem Phänomen des Auftretens einer Potentialdifferenz an einem Piezokristall während seiner mechanischen Verformung. Im Vibrometerkörper befindet sich ein inerter Körper, der an elastischen Elementen mit piezoelektrischem Material aufgehängt ist (Abbildung 3). Wenn der Körper des Geräts an einer vibrierenden Oberfläche befestigt ist, registrieren die elastischen Elemente die Vibrationen eines trägen Körpers, der nicht direkt am Körper befestigt ist und daher dazu neigt, seine ursprüngliche Position beizubehalten. Im Allgemeinen ist ein piezoelektrisches Vibrometer in dieser Konfiguration nichts anderes als ein Beschleunigungsmesser, und es ist oft recht schwierig, zwischen diesen Arten von Sensorgeräten zu unterscheiden.

Abbildung 3. Schematische Darstellung eines piezoelektrischen Vibrometers.

Das elektrische Signal des Piezokristalls wird üblicherweise einem Analog-Digital-Wandler zugeführt und dort in digitaler Form verarbeitet. Im Allgemeinen besteht der Hauptzweck der empfangsempfindlichen Einheit wie bei einem optischen Vibrometer darin, Schwingungen in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und die Art ihrer Weiterverarbeitung wird durch die Parameter der digitalen elektronischen Schaltung bestimmt.

Der Hauptnachteil dieser Geräteklasse besteht darin, dass der empfindliche Teil mit dem Messobjekt in Kontakt kommen muss, was unter Produktionsbedingungen nicht immer angemessen ist. Darüber hinaus haben piezoelektrische Geräte tendenziell einen engeren Bereich wahrgenommener Frequenzen, da sie über einen mechanischen Vibrationsübertragungspfad verfügen, bei dem die maximale Frequenz durch die Trägheit der Komponenten bestimmt wird.

Zu den Vorteilen piezoelektrischer Vibrometer zählen ihre relativ geringen Kosten sowie ein relativ einfaches Gerät, das Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber äußeren Einflüssen gewährleistet.

Zur Erkennung werden Arduino-Vibrationssensoren (manchmal auch Alarmsensoren genannt) verwendet äußere Einflüsse Sie sind Schwingungscharakter und werden häufig zur Diebstahlsicherung eingesetzt Automobilsysteme, verschiedene Sicherheitsalarme, ermöglichen es Ihnen, Vibrationen während eines beginnenden Erdbebens zu erkennen. In diesem Artikel betrachten wir den Aufbau des Sensors und den Anschlussplan zu Arduino-Boards.

Das Hauptelement des Sensors ist eine Metallfeder flexible Struktur, befindet sich im inneren Teil des Kunststoffrohrs. Wenn darauf Einfluss genommen wird, beginnt es zu schwanken. Zur Verstärkung des Signals wird es zunächst einem Operationsverstärker und anschließend einem Analogausgang zugeführt. Ein wichtiges Element Der Vibrationssensor ist ein Potentiometer, mit dem Sie die Empfindlichkeit des Geräts einstellen und die gewünschte Ansprechschwelle einstellen können.

Der Vibrationssensor verfügt über drei Ausgänge:

• Erde;
• Ernährung;
• Analoger Signalausgang A0.

Mit dem Potentiometer auf der Platine können Sie die Empfindlichkeit einstellen. Es handelt sich um einen variablen Widerstand mit einstellbarem Widerstand. Die Sensorplatine enthält außerdem LEDs, die das Vorhandensein von Strom anzeigen. Darüber hinaus sind einige Varianten mit einem digitalen Ausgang D0 ausgestattet, der bei Erreichen des Vibrationsschwellenwerts eine logische Null ausgibt.

Im Ruhezustand befindet sich das Modul im offenen Zustand und es fließt kein Strom durch es. Bei äußeren Vibrationseinflüssen kommt es durch das Schwingen der Feder zu einem kurzzeitigen Schließen der Kontakte. Dadurch wird der Sensor ausgelöst und am Ausgang erscheint eine logische 0.

Der Sensor wird unabhängig von seinem räumlichen Standort ausgelöst.

Technische Parameter von Vibrationssensoren für Arduino (können je nach Gerätemodell variieren):

• Versorgungsspannung von 3 bis 5 V;
• Stromaufnahme 4-5mA;
• Mit oder ohne Digitalausgang;
• Mit oder ohne Empfindlichkeitseinstellung.

Sensoren können sich in Gewicht und Abmessungen unterscheiden, sie verfügen jedoch immer über ein Befestigungsloch zur Befestigung auf der Platine.

Anwendungsmöglichkeiten

Die relevanteste Anwendung von Vibrationssensoren kann im Bereich der Sicherheitsalarmierung umgesetzt werden für verschiedene Zwecke. Wegen hohes Niveau Aufgrund ihrer Empfindlichkeit können solche Geräte auf Vibrationen in einem weiten Intensitätsbereich reagieren und Vibrationen in allen Ebenen erfassen. Dank einfacher Weg Verbindungen werden Vibrationssensoren zur Umsetzung unterschiedlichster Projekte eingesetzt:

• Sicherheitssysteme;
• Alarm;
• Elektronische Schlösser;
• Bewegungsmelder;
• Diebstahlsicherungssysteme;
• Seismische Stationen;
• Kinderspielzeug;
• Haushaltsgeräte;
• Sportausrüstung.

Implementierungsbeispiel

Anschlussplan des Vibrationssensors an Arduino

Eine Option für den Einsatz eines Vibrationssensors könnte sein Sicherheitsalarm, bei dem beim Auftreffen auf eine Oberfläche mit einem daran befestigten Gerät ein Auslöser auftritt (in diesem Beispiel leuchtet die an Pin 13 angeschlossene LED auf). Folgende Details sollten für das Projekt vorbereitet werden:

• Arduino Uno-Board;
• Vibrationssensoren 801S oder Logo-Sensoren v1.5;
• Steckbrett;
• Verbindungsdrähte.

Die Schaltung ist gemäß der Abbildung aufgebaut. Der digitale Pin DO ist mit dem digitalen Pin 2 verbunden. Bei Vibrationen erhöht sich der Signalwert um ein Vielfaches und bei Erreichen eines Schwellenwerts, der über ein Potentiometer eingestellt wird, wird eine logische Eins an den DO-Pin angelegt. Wir bewältigen diese Situation, indem wir den Wert mit der Funktion digitalRead auslesen. Anschließend legen wir mithilfe der Funktion 5 V an Port 13 an und die in der Platine eingebaute LED leuchtet auf.

Skizzenbeispiel

#define PIN_LED 13 #define PIN_SENSOR 2 // Pin, an dem der Vibrationssensor angeschlossen ist void setup() ( pinMode(PIN_LED, OUTPUT); ) void loop() ( int val = digitalRead(PIN_SENSOR); // Den Wert auslesen der Sensor if( val==1)( digitalWrite(PIN_LED, HIGH); // Sensor auslösen - LED einschalten )else( digitalWrite(PIN_LED, LOW); ) )

Der Sensor basiert auf einem piezoelektrischen Element aus einem Schallsender ZP-2, ZP-4 oder ZP-5. Gesamtansicht Sensor (Seite) ist in Abb. 1, a dargestellt. Das piezoelektrische Element 2 einer der Platten ist mit dem Folienpad verlötet Leiterplatte 1. Ein in Form des Buchstabens L gebogener Ständer 4 aus elastischem Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,5 mm wird gemäß der Abbildung an die obere Platte des piezoelektrischen Elements 2 angelötet. Eine Ansicht der Säule 4 entlang des Pfeils A ist in Abb. dargestellt. 1.6. Die Beine und der Sattel des Ständers müssen vorher verzinnt werden.

Aus dem gleichen Draht wird die Konsole 3 gebogen und an einem ihrer Enden ist eine 10...15 g schwere Last 5 aus Blei oder Lot sicher befestigt. Danach wird die Konsole an einem Ende an die Platine und etwa in der Mitte an den Sattel des Racks 4 gelötet.

Um ein Abreißen der oberen Abdeckung vom Piezoelement zu vermeiden, wird diese vor dem Löten der Konsole leicht gebogen, so dass nach der Montage eine übermäßige elastische Anpresskraft auf das Piezoelement entsteht. Die Abmessungen der Sensorteile spielen keine Rolle und sind daher in Abb. 1 nicht dargestellt. Das Löten muss mit niedrigschmelzendem Lot erfolgen.

Die Sensorleitungen bestehen aus einem Folienpad, auf das ein piezoelektrisches Element gelötet ist, und einem in die Platine eingelöteten Konsolensockel. Das Brett wird auf der Oberfläche befestigt,

deren Vibration kontrolliert werden muss. Wenn diese Oberfläche mechanisch vibriert, erscheinen an den Sensoranschlüssen mehrere schwache Impulse mit einer Dauer von 3...15 ms.

Um diese Impulse zu verstärken und ihnen die für die weitere Verarbeitung notwendige Form zu geben, wird das Signal des Sensors dem Eingang des Shaper-Verstärkers zugeführt (siehe Diagramm in Abb. 2). Operation Wuxi

Der Begrenzer DA1 arbeitet im Modus mit maximaler Verstärkung und der Transistor VT1 arbeitet im Schaltmodus. Die Diode VD1 erhöht mit ihrer Sperrspannung die Totzone des Transistors.

Der Operationsverstärker bildet zusammen mit einer Diode und einem Transistor einen Spannungskomparator, der sich durch einen geringen Stromverbrauch auszeichnet. Die Ansprechschwelle des Komparators wird durch den Trimmwiderstand R2 eingestellt. Ist die Amplitude der negativen Halbwelle des Sensorsignals kleiner als die Spannung am Widerstand R2, bleibt der Transistor VT1 geschlossen und die Ausgangsspannung ist Null.

Die mechanische Anregung des Sensors führt dazu, dass am Ausgang des Shapers mehrere Rechteckimpulse mit einer Dauer von 3...15 ms erscheinen, deren Amplitude für die direkte Eingabe in einen digitalen Analysator auf CMOS-Mikroschaltungen geeignet ist. Das einfachste ähnliches Gerät, in der Lage, das Nutzsignal vom Hintergrund hervorzuheben Fehlalarme ist ein Zähler (001 in Abb. 2), der am Eingang R durch Impulse periodisch zurückgesetzt wird elektronische Uhr oder ein spezieller Generator. Ein Alarmsignal – eine hohe Spannung – erscheint am Ausgang nur dann, wenn die Anzahl der Impulse am Zählereingang im Intervall zwischen zwei benachbarten Nullimpulsen eine bestimmte, durch Schalter SA1 eingestellte Zahl erreicht (in Abb. 2 ist sie auf acht eingestellt). ).

Wenn es Ihnen nicht darum geht, das Problem der Beseitigung falscher Signale zu lösen, kann das Signal vom Kollektor des Transistors VT1 direkt an den Eingang der Alarmsignalerzeugungseinheit angelegt werden.

Die Erfahrung zeigt, dass der Sensor auf sich ausbreitende akustische Signale praktisch nicht reagiert Luftumgebung. Es reagiert hauptsächlich auf die normale Schwingungskomponente, nimmt aber auch Störungen in der Ebene des piezoelektrischen Elements recht gut wahr, was offensichtlich auf das Auftreten einer Reaktion an den Befestigungspunkten des Ständers zurückzuführen ist. Somit reagiert der Sensor auf Vibrationen beliebiger Ausrichtung. Der vom Verstärker-Former im Standby-Modus bei einer Versorgungsspannung von 9 V verbrauchte Strom überschreitet nicht -18 μA, bei 5 V - 10 μA.

Quelle: RADIO 12/94

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