Miniatűr rezgésszenzorok

Az elektronikai alkalmazások területén gyakran van szükség egy olyan egyszerű felépítésű mozgáskapcsolóra, amely alkalmas magának az eszköznek rezgés hatására történő élesztésére. Az ilyen induláskapcsolók különféle kényelmi szolgáltatások beépítésére adnak lehetőséget az eszköz fejlesztésekor, mint például az elem élettartamának növelése vagy az automatikus bekapcsolás.

A legegyszerűbb megoldás egy golyós kapcsoló használata, amely az esetek nagy részében tökéletesen hatékony, és képes kiváltani például a káros anyagokat tartalmazó higanykapcsolókat is. Ilyen a cikkben tárgyalt, egy- és többirányú változatban elérhető Sensolute mikrorezgés-érzékelő is, amely nem tartalmaz a környezetre veszélyes anyagokat, ezért megfelel az RoHS és REACH követelményeinek is.

1. ábra  A VS1 SMD rezgésszenzor

2. ábra  A VS1 SMD rezgésszenzor felépítése

Általános jellemzők

A VS1/2 mikrorezgés-érzékelők alkalmasak a rezgés és mozgás érzékelésére egy a szenzor testében lévő üregben elhelyezkedő aranyozott miniatűr golyó segítségével. A rendkívül kis méret (2,85 × 2,45 × 1,7 mm) miatt ez a golyós kapcsolók elvén működő SMD méretű szenzor alkalmas kis elektronikai áramkörökbe való egyszerű felhasználásra. A zárt epoxi ház bizonyos mértékig ellenállóvá teszi a környezeti hatásokkal szemben – mint például pára vagy maró hatású kémiai anyagok –, széles hőmérséklet-tartományban használható és tárolható (-20 °C – +70 °C / -40 °C – +85 °C) és alkalmas automatikus, ólommentes beültetésre is.
A 0,8 mm átmérőjű aranyozott golyó egy kis méretű, elektródaként funkcionáló, vezető falú hengerben helyezkedik el, amelynek alján található egy másik elektróda is. A szabadon mozgó golyó még a legkisebb rezgés hatására is hol rövidre zárja, hol megszakítja az elektródákhoz kapcsolt külső áramkört. A vibráció hatására megjelenő kimeneti kapcsolási feszültségimpulzusokat egy külső elektronikával kell kiértékelni. Mihelyt a szenzor nem érzékel további mozgást, a golyó nyugalomba kerül, a logika pedig – egy alkalmazáshoz rendelt késleltetés után – kiadhatja a parancsot például a táplálás lekapcsolására. Ez a módszer nagyon egyszerű, és kiválóan használható kéziszerszámok, hordozható eszközök, távvezérlők nyugalmi helyzetben való automatikus kikapcsolására, vagy járműelektronikák indulás utáni automatikus élesztésére is.

3. ábra  A szenzor feszültsége az állapot függvényében

Alkalmazásspecifikus külső elektronikák

A külső kiértékelő áramkörök tervezésekor néhány alapvető jelenséget azonban figyelembe kell venni. Mivel a szenzor a nyugalmi helyzetben nem biztos, hogy kikapcsolt és rezgéskor nem biztos, hogy bekapcsolt állapotban van, a kiértékelő áramkör feladata, hogy az alacsony feszültségű logikai „OFF” és a magas feszültségszintű logikai „ON” állapotok közti átmenetek sorozatát figyelve döntést hozzon.
A változásokat kell detektálni, mert ez jellemző a rezgés állapotára, míg a tetszőleges, de állandó logikai kimeneti szint a nyugalmi helyzetet jelenti.
A szenzor egyirányú és többirányú változatban készül, az első esetben érintkező csak az alsó talpon található, emiatt az érzékenysége nagyban függ a beépítés irányától, ez a típus mozgás- és pozíciódetektálásra is alkalmas. A többirányú változat a belső hengeres kamra alsó és felső határoló síkján is tartalmaz érintkezőt, emiatt kevésbé irányérzékeny, elsősorban mozgásérzékelésre alkalmazható. Akármelyik DC szint is jelenik meg a szenzor kimenetén nyugalomban, kis rezgés hatására is átbillenhet a kimeneti jel, ami nem könnyen szűrhető, ezért a mikrokontroller szoftverében kell erre rutint írni. Az egyirányú VS1 szenzor esetén, fejjel lefelé történő beépítéssel mesterségesen idézhetünk elő jól definiált nyitott állapotot, mivel a kis golyó ilyenkor a belső henger érintkezővel nem rendelkező határolójához simul.

4. ábra  A legegyszerűbb kapcsolás

A 4. ábrán a legegyszerűbb áramkör látható, ahol az ellenállásra az áram maximum 2 mA-re való korlátozásának szerepe hárul.
Amennyiben szeretnénk a szenzor érzékenységét csökkenteni, egy kondenzátort lehet az ellenállással párhuzamosan kapcsolni úgy, hogy egy további soros ellenállással egy feszültségosztót hozunk létre, és annak első tagjával párhuzamosan kapcsolt a kis kapacitású kondenzátor.

5. ábra  A szenzoráramkör érzékenységének növelése

A feszültségosztó második ellenállására (lásd 5. ábra) azért van szükség, hogy korlátozza a kondenzátor in-rush áramértékét a szenzor által elviselhető maximális megengedett áramértékre.
Nagyobb kapacitású kondenzátor használatával a kimeneti feszültség impulzuscsúcsai egy átlagos analóg értékre integrálódnak. Az ellenállásos feszültségosztó számára R1=5M és R2=100k…1M értékeket érdemes választani.
Abban az esetben, ha a kiértékelést végző áramkör számára nyugalomban jól definiált kikapcsolt állapotra van szükség, a 7. ábrán látható áramköri megoldást lehet alkalmazni. A kapacitív feszültségosztó áramkör határozza meg a szűrés karakterisztikáját, a C2 esetében a C1-énél legalább ötször nagyobb kapacitásértékre van szükség. Minél nagyobb kapacitással dolgozunk, annál inkább átlagolja az áramkör kimeneti feszültségtüskéit egy analóg átlagos feszültségszintre. Míg C1=100 pF esetén az érzékenység növekszik, addig 100 nF használatakor a kimeneten egy kvázi konstans átlagos feszültségszintet mérhetünk. (8. ábra)
A rezgés érzékelését a mechanikai inputtal arányos villamos jel, a kimeneti feszültség változásának detektálásával végezhetjük, amelyet leggyakrabban egy élvezérelt monoflop- (monostabil multivibrátor) kapcsolással oldanak meg az alkalmazásfejlesztők. A 9. ábra egy ilyen áramkör sematikus rajzát mutatja.

6. ábra  A szenzor érzékenysége az alkalmazott kapacitástól függően

Felhasználási területek

A mikrovibrációs szenzor alkalmazhatósága rendkívül szerteágazó. Az indulásra automatikusan éledő kerékpárlámpa, az inaktív állapotban automatikusan kikapcsolódó távirányítók, kéziszerszámok mind ilyen szenzort igényelnek az energiameg-takarításhoz és a telep élettartamának növelésére.

• Aktív RFID-rendszerek

• GPS nyomkövetők

• Kerékpárcomputerek

• hands free szettek

• Biztonsági rendszerek

• Betegfigyelés

• Értékfigyelés

• Adatgyűjtők

• LCD távirányítók

• LCD kijelzővel ellátott borotvák

• Kerékpár-világítás

7. ábra  A szenzoráramkör jól definiált nyugalmi állapothoz

Alkalmazás kerékpárlámpában

A szenzor egyik megvalósult gyakorlati alkalmazása a telepes táplálású kerékpárlámpába integrált speciális indító áramkörben való felhasználása. Amikor a kerékpár hosszabb ideig egy helyben áll, a lámpa automatikusan kikapcsol, azonban mozgásban (induláskor és közlekedéskor) a rezgésszenzorral szerelt indítóegységnek köszönhetően automatikusan éled. A telep élettartamának növelését célzó automatikus kikapcsolásnak azonban csak akkor van igazi értelme, ha a nappali világosságban a lámpa a mozgás ellenére is kikapcsolva marad. A 7. ábrán látható áramkörben a komparátor engedélyező bemenetére egy fotoellenállás, illetve fototranzisztor-alapú kapcsolás kimenetét kötve kizárható a nappali körülmények mellett történő bekapcsolás.

8. ábra  A szenzor feszültsége nyugalmi helyzetben és vibrálás közben

A fotoellenállás Cd tartalma miatt egyre jobban kiszorul az elektronikából, helyét a félvezetős fotodiódák és fototranzisztorok veszik át. Utóbbi esetekben azonban tekintettel kell lenni arra, hogy a fototranzisztor – elsősorban napnyugta időszakában – a fény spektrumában jelentős mértékű infravörös sugárzásra is érzékeny, ezért olyan eszközre van szükség, ami megfelelő szűrőkkel van ellátva.
A kerékpárlámpába ezért a fotoellenálláshoz hasonló karakterisztikájú, a látható fény spektrumában érzékeny, úgynevezett fényszenzort építettek be.

9. ábra  A monostabil multivibrátor-kapcsolás

Alkalmazás adatgyűjtő hálózatok szenzorcsomópontjainak aktivizálására

Géptermi szenzorhálózatok egyes csomópontjaiban lévő hőmérséklet-, zaj-, vagy rezgésszenzorok kimeneti jeleiket egy speciális komponensre, az úgynevezett hídra küldik, ahonnan az adatok az Internet segítségével kerülnek továbbításra. Mivel a csomópontok sokszor nagyon nehezen megközelíthető területeken vannak elhelyezve, a táplálásukat ellátó akkumulátorok és elemek cseréje nehézkes lehet. Mivel általában csak arra van szükség, hogy egy mozgó szenzorcsomópont közvetítsen jelet a hídra, a teljes elem kikapcsolva tartható arra az időre, amikor nincs szükség a jeladásra. Ezzel a telep élettartama sokszorosára növelhető. A megvalósításhoz valamilyen kapcsolatot kell biztosítani a szenzor és a hordozógép mozgása között, amelyre ideális megoldást jelent a miniatűr vibrációs szenzor beépítése. Természetesen a szenzor nemcsak a telepek élettartamának növelésére, hanem biztonságtechnikai alkalmazásokra is használható, például a gépek ajtajának és védett részeinek megnyitásakor küldhetnek jelet a felügyelő szervek számára. A rendkívül kis méretű érzékelő könnyen integrálható az eleve kis méretűre tervezett szenzor csomópontba, és egyszerűsége folytán rendkívül könnyen integrálható az architektúrába. A vezeték nélküli jeltovábbító csomópontok telepcsere nélkül akár 5 évig is üzemelhetnek, jelentősen csökkentve a működtetés költségeit.

10. ábra  Alkalmazás kerékpárlámpában

11. ábra  Alkalmazás szenzormodulban

Alkalmazás kéziszerszámok automatikus ki-, bekapcsolására

A VS1 miniatűr vibrációs szenzort használják digitális nyomatékmérővel felszerelt állítható nyomatékú csavarhúzó elektronikájának automatikus éledéséhez is. A mai technológia megköveteli, hogy a csavarok a megfelelő nyomatékkal legyenek meghúzva elkerülendő a túlhúzás miatti sérüléseket, illetve a laza szerelésből eredő biztonsági kockázatot. Hagyományos eljárás a csavarkötések utólagos vizsgálata egy önálló nyomatékmérővel, azonban időt és költséget lehet megtakarítani azzal, ha a csavarhúzóba épített elektronika végzi a nyomatékmérést. Az így kialakított kombinált eszközök azonban jelentőségüket vesztik akkor, ha a táplálást biztosító telepeik gyakran lemerülnek, hiszen még a legpontosabb műszer is téves értéket mér, ha a telep veszít a feszültségéből. Ezért ezeknél az eszközöknél elsődleges feladat a telepek élettartamának növelése, amit az elektronikába épített miniatűr rezgésérzékelővel lehet megvalósítani.
Az így szerelt eszköz használaton kívül automatikusan kikapcsol, kézbevételkor pedig automatikusan éled, ezáltal nincs szükség a zavaró kézi ki és bekapcsolásra, és nem jelentkezik a véletlen bekapcsolva hagyás kockázata sem.

12. ábra  Alkalmazás elektromos kéziszerszámban

Szerző: Kiss Zoltán – okl. villamosmérnök, Export igazgató, Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente
Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 41 91
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com