Сьогодні ми з вами поговоримо про таку цікаву штуку, як датчик вібрації, сфера її застосування залежить від вашої фантазії. Я, наприклад, використовував його як датчик, приклеївши його до рамки, на якій встановлені двері. Тепер поговоримо про сам пристрій. Схема датчика була розроблена особисто мною, і її немає ніде в інтернеті – лише на нашому сайті. Характеристики її наступні: пристрій починає працювати відразу після правильного складання - тобто, не потребує жодних налаштувань, які ми з вами так не любимо, чутливість просто приголомшлива - з десяти метрів від нього, виконуючи якийсь танець, мікроамперметр або світлодіод почне підтанцьовувати разом із вами. Ось сама схема датчика вібрації:

Мікросхему LM358 використовував, так як вона, на мій погляд, є найпоширенішим операційним підсилювачем, є вона в будь-якому радіомагазині і коштує копійки. В крайньому випадку, її можна видерти з краба – універсального зарядного для акумуляторів мобільних телефонівабо з автомобільної сигналізації- Там вони часто зустрічаються в приймальній частині, ще можна замінити на LM324 - у неї плюс харчування на четверту ногу, а мінус на одинадцяту при цьому звичайно вже не з'єднуємо восьму і четверту. П'єзодинамік купуємо або дістаємо з убитих калькуляторів, наручного годинника, велосипедних пищалок та інших пиляючих іграшок. Мікроамперметр буває у радянських магнітофонах, підсилювачах чи авометрах (стародавніх тестерах). П'єзик можна замінити на світлодіод або невеликий динамік з малим струмом споживання (близько 20 міліампер, тоді прибираємо R6). Резистори R3, R5 - можуть бути в межах 1к до 3к3, головне щоб вони були однакового номіналу. Резистор R4 - впливає на чутливість, менший опір- Вища чутливість (мінімальне що я ставив 0, 33 ом – це підкрадаючись відчує на відстані 5-6 метрів). R1, R2 у межах 47к … 220к теж обидва з однаковими номіналами. R6 як обмеження струму, підходить для мікроамперметра та світлодіода. Конденсатори C1 та C2 від 1мк до 47мк. Живлення датчика вібрації
можливо навіть від літієвого акумулятора 3,7 вольта, тоді для світлодіода можна буде забрати R6. В принципі все, якщо зібрали все необхідні деталі- Можна розпочинати складання. Збираємо спочатку схему датчика на ОУ і не чіпаємо п'єзодинаміки. Варіант виготовлення плати дивимося тут:

Тепер знаємося з п'єзо динаміком. У нього є середина з п'єзоелемента з напилюванням зверху для паяння, і пластина (зазвичай бронзова або нікельована залізо) на якій з одного боку та сама середина з п'єзоелемента. Припаюємо до середини п'єзоелемента дріт, інший його кінець дроту припаюємо до висновку 3 мікросхеми, потім припаюємо пластину прямо на плату, а на протилежній від плати стороні до п'єзодинаміки прикріплюємо пружину (для більшої чутливості) дивимося малюнок. Отже, датчик вібрації зібраний, можна перевіряти. Підключаємо живлення та чекаємо, поки пружина не заспокоїться. Коли на виході буде "0" (не світиться світлодіод або мікроамперметр показує "0"), клацаємо пальцями або хлопаємо датчик повинен відреагувати. Якщо все працює – чудово, якщо ні, перевірте, чи немає замикань, чи всі правильно з'єднали. Мікросхема взагалі повинна бути робочою, навіть якщо ви її випаяли з якогось пристрою (на ній немає ніякого навантаження). Якщо цікаво, як цей датчик працює, читаємо тут. Операційний підсилювач має два входи (один з них називають "+" інший "-") і один вихід. Якщо подаємо на вхід "+" напруга більша ніж на вхід "-", на виході маємо "+" якщо ж навпаки на виході буде "-". За схемою напруга вході "+" менше ніж на вході "-" на пару мілівольт і тому на виході маємо "-". Тепер п'єзо динамік - така крута річ, що перетворює звук або вібрацію в напругу просто ударяючи по ньому олівцем), і він при вібрації збільшує напругу на вході "+" і, отже, маємо на виході теж "+".

Датчик вібрації своїми руками- доповнений простою системою кріплення та кількома спаяними «на вазі» компонентами, п'єзоелемент може детектувати механічні удари. Власне датчик складається з керамічного п'єзоелемента та тонкого латунного диска. Такого роду збірка раніше використовувалася в багатьох телефонних апаратах як джерело викликного сигналу або в наручний годинникз будильником.

Залежно від способу монтажу датчик може сприймати удари в напрямку однієї осі (Малюнок 16) або трьох (Малюнок 16). Для одного осьового вимірювання припаяйте один край датчика до загорнутого в монтажну основу гвинта. На протилежний край припаяйте вантаж, щоб збільшити чутливість датчика. Пара невеликих гачків, прикріплених до основи, обмежує рух датчика, не допускаючи поломки п'єзоелемента.

Якщо ви хочете, щоб система була чутлива до ударів у трьох вимірах, один край датчика припаяйте до гвинта так само, як у першому випадку. На інший край припаяйте гвинт із плоскою потайною головкою, спрямований у бік, протилежний монтажній основі. Використовуйте пару контр-гайок, щоб збільшити полярний момент інерції конструкції. Положення контр-гайок визначає чутливість п'єзоелемента. В обох випадках, щоб не порушити з'єднання п'єзоелемента з латунним диском, час паяння має бути мінімально можливим.

На Малюнку 2 зображено проста схемасигналізації. При хорошому клацанні по п'єзлементу на 10-мегаомному резистори R1 виникне напруга в кілька вольт. Після цього мікросхема здвоєного таймера 1с1 протягом однієї хвилини включатиме живлення звукового випромінювача з періодичністю 1 с. Випромінювач звуку має власну вбудовану схему управління, що генерує пронизливий сигнал зі звуковим тиском 90 дБ.

Про що ця стаття

Датчик вібрації (віброметр) – прилад, що дозволяє визначати параметри вібраційних явищ. Найчастіше віброметри використовуються для визначення:

1. Віброшвидкості
2. Віброприскорення
3. Вібропереміщення

Простіше кажучи, якщо об'єкт, що вібрує, вважати простим осцилятором, то віброметр дозволяє отримати відомості як про базові параметри його коливань (частота і амплітуда), так і, в деяких випадках, отримати спектральну характеристику коливального процесу.

1. Схема датчика вібрації.

Загальна схема датчика вібрації містить два основних блоки (Малюнок 1): віброперетворювач (1) та електронний блокобробки (2). Функціональне призначенняпершого блоку - перетворення механічних вібрацій на електричний сигнал. Механізмів перетворення кілька:

• П'єзоелектричний
• Оптичний
• Вихрострумовий
• Індукційний

Механізм перетворення значною мірою визначає як характеристики приладу, і його вартість.

Другий блок – електронний блок обробки – служить для «розшифрування» отриманого сигналу. Як правило, на вході таких блоків стоїть аналогово-цифровий перетворювач, і основна частина операцій над сигналом проводиться вже у цифровому вигляді, що розширює функціональні можливостіпроцесу пост-обробки, покращує завадостійкість і дозволяє здійснювати виведення інформації із зовнішнього інтерфейсу.

При використанні на виробництві стаціонарні віброметри можуть входити до складу регулюючих систем як датчики зворотного зв'язкуДля цих цілей деякі моделі віброметрів мають аналоговий вихідний сигнал (як правило, напруга).

Для отримання комплексної характеристики вібраційного процесу склад вимірювальної системи може бути доданий спектроаналізатор. Якщо спектроаналізатор багатоканальний - він може бути основою розподіленої системи вібраційної діагностики, що містить більше одного вібродатчика.

В даний час більшість віброметрів відноситься до одного з двох типів:

1. Оптичний віброметр
2. П'єзоелектричний віброметр

Розглянемо докладніше кожен тип датчиків.

Оптичний віброметр

В основу роботи оптичного віброметра подібно до ультразвукових датчиків переміщення покладено ефект Доплера. Прилад зазвичай містить лазерне джерело випромінювання, оптичну приймальну схему, а також електронну схему обробки (Малюнок 2). При відображенні випромінювання від нерухомого об'єкта довжина хвилі прийнятого променя не відрізняється від довжини хвилі лазера. Якщо об'єкт переміщається вздовж осі випромінювання, відбувається зсув довжини хвилі відбитого випромінювання на деяку величину (ефект Доплера), значення і знак якої несуть інформацію про швидкість та напрямок руху об'єкта, а інтерферометрична схема, що використовується у складі приймального оптичного модуля, дозволяє визначити цю величину. Таким чином, коливання поверхні, що відбиває, модулюють частотний зсув, і електронна обробка цього сигналу модуляції дозволяє отримати параметри вібраційних коливань.

2. Схема оптичного віброметра.

Незважаючи на те, що до складу оптичних віброметрів входить джерело лазерного випромінювання, такі прилади досить безпечні, оскільки за рахунок високої приймальної чутливості оптичної системидля проведення вимірів достатньою виявляється дуже незначна оптична потужність.

Одним з основних переваг оптичних віброметрів є те, що діагностика з їх допомогою може проводитися безконтактно, при їх використанні в стаціонарному вимірювальному комплексі потрібно лише одноразове фокусування на поверхні, що вимірюється. Крім того, пристрої цього типу мають високою точністюта швидкодією, оскільки позбавлені рухомих елементів. До недоліків можна зарахувати досить високу ціну.

П'єзоелектричний віброметр

Як зрозуміло з назви, в основу роботи даного типуприладів покладено п'єзоефект - явище виникнення різниці потенціалів на п'єзокристалі за його механічної деформації. Всередині корпусу віброметра міститься інертне тіло, що підвішене на пружних елементах, що містять п'єзоелектричний матеріал (Малюнок 3). Якщо корпус приладу прикріплений до поверхні, що вібрує, пружні елементи зареєструють коливання інертного тіла, яке не прикріплене безпосередньо до корпусу, а тому прагне зберігати своє початкове положення. В цілому, у цій конфігурації п'єзоелектричний віброметр є не що інше, як акселерометр, і часто досить складно провести кордон між цими видами чутливих пристроїв.

Малюнок 3. Схема п'єзоелектричного віброметра.

Електричний сигнал з п'єзокристалу, як правило, подається на аналогово-цифровий перетворювач, і його обробка здійснюється у цифровому вигляді. В цілому, як і у випадку з оптичним віброметром, основним призначенням чутливого приймального блоку є перетворення вібрації в електричний сигнал, а характер його подальшої обробки визначається параметрами цифрової електронної схеми.

Основним недоліком цього класу приладів є необхідність зіткнення чутливої ​​частини з об'єктом, що вимірюється, що не завжди доречно в умовах виробництва. Крім того, п'єзоелектричні прилади мають, як правило, більш вузький діапазон частот, що сприймаються, оскільки мають механічний тракт передачі вібрації, де максимальна частота визначається інертністю компонентів.

До переваг п'єзоелектричних віброметрів можна віднести їх відносно невисоку вартість, а також відносно простий пристрій, що забезпечує надійність і стійкість до зовнішніх впливів.

Датчики вібрації Ардуїно (їх ще іноді називають датчиками сигналізації) застосовні виявлення зовнішніх впливувібраційного характеру і широко використовуються в протиугінних автомобільних системах, різних охоронних сигналізаціях, дозволяють детектувати вібрації при землетрусі, що починається. У цій статті ми розглянемо будову датчика та схему підключення до плат Arduino.

Основний елемент датчика – металева пружина. гнучкої структури, розташована у внутрішній частині трубки із пластику. За наявності будь-яких впливів на неї вона починає вагатися. Посилення сигналу відбувається за рахунок його подачі спочатку на операційний підсилювач, а потім вихід аналогового типу. Важливим елементомдатчиком вібрації є потенціометр, який регулює чутливість приладу, і дозволяє встановлювати необхідний поріг спрацьовування.

Датчик вібрації має три виходи:

• Земля;
• Живлення;
• Вихід аналогового сигналу А0.

Потенціометр, що знаходиться на платі, дозволяє налаштувати його чутливість. Він являє собою змінний резистор з опором типу, що регулюється. На платі датчика також є світлодіоди, які сигналізують про наявність живлення. Крім того, деякі різновиди оснащуються цифровим висновком D0, який видає логічний нуль при досягненні граничного значення рівня вібрації.

У стані спокою модуль знаходиться в розімкнутому стані, і протікання струму по ньому немає. За наявності зовнішніх вібраційних впливів за рахунок розгойдування пружини відбувається короткочасне замикання контактів. В результаті відбувається спрацювання датчика і на виході з'являється логічний 0.

Спрацювання датчика відбувається незалежно від його просторового розташування.

Технічні параметри датчиків вібрації для Ардуїно (можуть відрізнятися залежно від моделі пристрою):

• Напруга живлення від 3 до 5 В;
• Струм споживання 4-5мА;
• З наявністю чи відсутністю цифрового виходу;
• З наявністю чи відсутністю регулювання чутливості.

Датчики можуть відрізнятися за вагою та габаритами, але обов'язково містять монтажний отвір для кріплення до плати.

Варіанти застосування

Найбільш актуальним застосування датчиків вібрації може бути реалізовано у сфері охоронної сигналізації різного призначення. За рахунок високого рівнячутливості такі пристрої можуть реагувати на вібрації широкого діапазону інтенсивності, уловлюючи коливання у всіх площинах. Завдяки простому способупідключення, датчики вібрації застосовуються для реалізації найрізноманітніших проектів:

• Системи охорони;
• сигналізації;
• Електронні замки;
• Детектори руху;
• Протиугінні системи;
• Сейсмостанції;
• Дитячі іграшки;
• Побутові прилади;
• Спортивний інвентар.

Приклад реалізації

Схема підключення датчика вібрації до ардуїно

Варіантом використання датчика вібрації може стати охоронна сигналізація, В якій при ударі об поверхню, з закріпленим на ній пристроєм, відбувається спрацювання (в даному прикладі загориться світлодіод, приєднаний до піна 13). Для проекту слід підготувати такі деталі:

• плату Arduino Uno;
• датчики вібрації 801S чи Logo sensors v1.5;
• макетну плату;
• сполучні дроти.

Складання схеми проводиться згідно з малюнком. Цифровий висновок DO з'єднуємо з цифровим піном 2. За наявності вібрацій значення сигналу багаторазово збільшується і при досягненні порогового значення, яке встановлюється потенціометром, на висновок DO подається логічна одиниця. Ми обробляємо цю ситуацію, зчитуючи значення функцією digitalRead, після чого подаємо за допомогою функції 5В на порт 13 і спалахує вбудований у плату світлодіод.

Приклад скетчу

#define PIN_LED 13 #define PIN_SENSOR 2 // Пін, до якого приєднаний датчик вібрації void setup() ( pinMode(PIN_LED, OUTPUT); ) void loop() ( int val = digitalRead(PIN_SENSOR); // Читаємо значення з датчика if( val==1)( digitalWrite(PIN_LED, HIGH); // Датчик спрацьод - включаємо світлодіод )else( digitalWrite(PIN_LED, LOW); ) )

Основою датчика служить п'єзоелемент від звуковипромінювача ЗП-2, ЗП-4 або ЗП-5. Загальний вигляддатчика (збоку) показано на рис.1,а. П'єзоелемент 2 однієї з обкладок припаяний до фолімованого майданчика друкованої плати 1. До верхньої по малюнку обкладки п'єзоелемента 2 припаюють стійку 4, зігнуту у вигляді літери Л з пружного сталевого дроту діаметром 0,5 мм. Вид на стійку 4 за стрілкою показаний на рис. 1,6. Лапи та сідловину стійки потрібно заздалегідь обдурити.

Консоль 3 вигинають з такого ж дроту і надійно зміцнюють на одному з її кінців вантаж 5 масою 10...15 г зі свинцю або припою. Після цього консоль припаюють одним кінцем до плати, а приблизно серединою - до сідловини стійки 4.

Щоб уникнути відриву верхньої обкладки від п'єзоелемента перед припаюванням консолі, її злегка згинають так, щоб після установки на місце вона створювала на п'єзоелементі надлишкове притискаюче пружне зусилля. Розміри деталей датчика непринципові, тому на рис.1 не дано. Паяти необхідно легкоплавким припоєм.

Висновками датчика є фольговий майданчик, до якого припаяний п'єзоелемент, і впаяна в плату підстава консолі. Плату зміцнюють на поверхні,

вібрацію якої слід контролювати. При механічному коливанні цієї поверхні на висновках датчика виникає кілька слабких імпульсів тривалістю З...15 мс.

Для того, щоб посилити ці імпульси і надати їм форми, необхідної для подальшої обробки, сигнал з датчика подають на вхід підсилювача-формувача (див. схему на рис.2). Операційний вус

Літель DA1 працює в режимі максимального посилення, а транзистор VT1 - в режимі перемикання. Діод VD1 збільшує своєю напругою відсічення зону нечутливості транзистора.

ОУ разом із діодом і транзистором утворюють компаратор напруги, що відрізняється малим енергоспоживанням. Поріг спрацьовування компаратора встановлюють підстроювальним резистором R2. Якщо амплітуда негативної напівхвилі сигналу датчика менше напруги на резисторі R2, транзистор VT1 залишається закритим, а вихідна напруга дорівнює нулю.

Механічне збудження датчика призводить до появи на виході формувача декількох прямокутних імпульсів тривалістю 3...15 мс, по амплітуді придатних для прямого введення їх у цифровий аналізатор, виконаний мікросхемах КМОП. Найпростіше подібний пристрійздатне виділити корисний сигнал на тлі хибних спрацьовувань, являє собою лічильник(001 на рис.2), періодично обнулюваний по входу R імпульсами електронного годинникачи спеціального генератора. Сигнал тривоги - напруга високого рівня - з'явиться на виході лише тоді, коли число імпульсів на вході лічильника в інтервалі між двома сусідніми імпульсами, що обнулюють, досягне деякого числа, що встановлюється перемикачем SA1 (на рис.2 воно встановлено рівним восьми).

Якщо не задаватися рішенням завдання виключення помилкових сигналів, сигнал з колектора транзистора VT1 можна подавати безпосередньо на вхід вузла формування сигналу тривоги.

Як показує досвід, датчик практично не реагує на акустичні сигнали, що поширюються в повітряному середовищі. Чутливий насамперед до нормальної складової вібрацій, він досить добре сприймає і обурення, що лежать у площині п'єзоелемента, очевидно внаслідок виникнення реакції в точках кріплення стійки. Таким чином, датчик реагує на вібрації довільної орієнтації. Струм, споживаний підсилювачем-формувачем в режимі очікування при напрузі живлення 9, не перевищує -18 мкА, при 5 - 10 мкА.

Джерело: РАДІО 12/94

З цією схемою також часто переглядають: