česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 19. říjen 2017 Přihlásit E-archiv Speciály Ukázkové číslo Předplatné Kontakt

Šroub jako bezdrátové čidlo s měničem pohybové energie

DPS 3/2017 | Vývoj - články
Autor: Rutronik Elektronische Bauelemente
titul.png

V rámci projektu Technické univerzity Chemnitz a společnosti IK Elektronik GmbH se do středu zájmu výzkumu a vývoje dostal bezdrátový systém snímačů integrovaný přímo do šroubu, který měří a zpracovává signály ze senzoru a odesílá je k dalšímu zpracování. Elektronický systém uvnitř šroubu přitom pracuje bez baterie, přeměňuje kinetickou energii z vibrací daného prvku na elektrickou a tuto energii dále využívá k přizpůsobení a zpracování signálu. Na vnější straně se však takový snímač od běžného šroubu nijak neliší.

Robustní řešení do mnoha aplikací

Jako stěžejní se jeví osazení zmíněného šroubu na nejrůznějších místech právě ve vozidlech – např. zámky pásů, tažná zařízení přívěsů, a především čidla v oblasti převodovky nebo motoru. Činnost samotného šroubu, který musí ustát nasazení i v náročných podmínkách, nesmí nijak ovlivnit prach ani stříkající voda. Řešení by proto mělo být uzavřené a maximální možnou měrou chráněné.

Systém musí být rovněž stabilní a nezávislý na teplotě, zejména pak z hlediska roztažnosti použitého materiálu. Důvod spočívá v provozu vozidla za nejrůznějších teplot – během zimy, v létě i na rozmanitých zeměpisných šířkách. Zároveň by měl být kvůli omezenému prostoru pokud možno co nejmenší.

 

1

Obr. 1 Uspořádání elektroniky šroubu se snímači v různých provedeních (zdroj: IK Elektronik GmbH)

 

Úkol pro vývojáře

Vibrace se ve vozidlech vyskytují s různými amplitudami a frekvencemi. Převodníky energie pak generují střídavá napětí s různou amplitudou a také kmitočtem. Zvláště u velmi malých amplitud vibrací vznikají též velmi malá střídavá napětí. Taková napětí ale běžné usměrňovače bez velkých ztrát zpracovat nedokážou. Potřebné zvyšující měniče musí vykázat vysokou účinnost a také odpovídající vlastnosti po zapnutí. Měniče energie spolu s obvody pro její řízení by rovněž měly být optimalizovány pro určité rozsahy kmitočtů vibrací a vývoj samotného měniče energie kromě toho neusnadňují ani požadované mechanické vlastnosti, včetně nasazení v kovovém prostředí.

Při vývoji elektroniky se společnost IK Elektronik potýkala s problémem jak s maximální účinností získat z minimálních střídavých napětí použitelné napětí stejnosměrné a nabytou energii vhodným způsobem uchovat. Podle množství uložené energie pak připojenou elektroniku provozujeme delší nebo též kratší dobu.

Většina použitých metod získávání energie z vibrací je založena na elektrodynamických, piezoelektrických, elektrostatických nebo elektromagnetických principech. K nasazení ve šroubu bude dobrou volbou právě elektrodynamický měnič složený z válcového magnetu a cívky, která ho obklopuje, protože ve vyladěném systému vykáže velké rezonanční převýšení. Převod vibrací z okolí na elektrickou energii zde staví na vztažném pohybu mezi magnetem a cívkou dle Faradayova zákona. Literatura zmiňuje různé druhy elektrodynamického získávání energie, které lze odlišit dle mechanické konstrukce systému – využíváme zde ohybu, magnetických nebo spirálových pružin.

 

2

Obr. 2 Příklad mechanické konstrukce měniče energie s pevnými a pohyblivými částmi

 

Mechanická a elektrická část

Společnost IK Elektronik vyvinula prototyp modulu umístěného v hlavě šroubu. Ten obsahuje usměrňovače a násobiče napětí, úložiště s kapacitami a obvody pro řízení energií, MCU s aplikací pro snímače (kontakt, teplota a tlak), vf přijímač s vysílačem a konečně anténu. Ve spojení s elektrodynamickým měničem energie ve šroubu lze navrhovat různé aplikace. Jejich funkci pak optimalizujeme na základě energie dostupné z vibrací v konkrétním cílovém prostředí.

 

3

Obr. 3 Metoda konečných prvků a rozložení magnetického pole měniče energie senzorového systému

 

Různé verze

V případě měniče energie a jeho konstrukce byly zkoumány různé možnosti a s využitím principu magnetické pružiny pak navržena i dvě řešení. Na Technické univerzitě Chemnitz (MST) k vytváření proměnlivého magnetického pole v závislosti na okolních vibracích využili pohyblivého magnetu mezi dvěma dalšími, pevně osazenými. V takto vyvinuté konstrukci budou cívka a její vývody pevně uchycené, čímž dosáhneme vyšší spolehlivosti systému.

Množství energie získané z měniče závisí především na velikosti magnetu a intenzitě magnetického pole, průměru vinutí a počtu závitu cívky, budicí frekvenci a amplitudě – nezávisle na použité konfiguraci, tzn. pohybující se magnet nebo cívka. Při návrhu měniče energie byla použita metoda konečných prvků (FEM). Dokážeme tedy pracovat s různými pohybovými profily a rovněž i velikostmi.

 

4

Obr. 4 Výstupní napětí naprázdno u navrženého měniče energie s magnetickou pružinou (a) pro amplitudy buzení 1 a 2 mm s drátem o průměru 0,2 mm (b) pro amplitudy 0,5, 1 a 2 mm s drátem o průměru 0,09 mm

 

Řada pokusů

S využitím pohyblivého magnetu zhotovila univerzita dva prototypy a bylo změřeno napětí naprázdno. Testovací sestava byla tvořena vibračním budičem na pozici umělého zdroje vnějších kmitů s možností sledování laserovým snímačem měřícím vychýlení a také stimulaci kmitočtem. Společně s laserovým snímačem, kontrolérem a zesilovačem pracuje vibrační budič v uzavřeném regulačním obvodu, kterým lze amplitudu kmitů též přizpůsobit. Pokusy byly provedeny s amplitudou 0,5 mm, 1 mm a 2 mm ve frekvenčním rozsahu 5 až 30 Hz – viz obr. 4.

Rezonanční kmitočet takové sestavy může dle použité cívky a výchylky buzení ležet v oblasti 20 až 30 Hz. S využitím principu magnetické pružiny pak lze rezonanční frekvenci poměrně snadno změnit. Jak ukazují naměřené hodnoty, bylo dosaženo špičkových napětí naprázdno přesahujících 500 mV.

 

Partneři

eipc
LVR
projectik
mcu
mikrozone
ep
rotator dole PAPOUCH
logo IMAPS try
epci