6. BADANIA EKSPERYMENTALNE
6.1. S YSTEMY AKWIZYCJI DANYCH
6.1.1. System HBM
Do rejestracji i przetwarzania sygnałów pomiarowych zastosowano zestaw akwizycji danych pomiarowych, w skład którego wchodziła aparatura pomiarowa i oprogramowanie firmy Hottinger (rys. 6.1). Sygnały z zastosowanych czujników zarejestrowane zostały za pomocą wzmacniaczy Spider-8 i MGCplus w konfiguracji obejmującej 80 kanałów pomiarowych oraz oprogramowanie Catman 5.0. Zastosowana
58 aparatura pozwalała na synchroniczną rejestrację sygnałów pomiarowych z częstotliwością 200 Hz. Podstawowe dane techniczne systemu HBM:
- główne zastosowanie: do pomiaru sił, przyspieszeń drgań mechanicznych, przemieszczeń, odkształceń, ciśnień oraz innych parametrów mechanicznych, - współpraca z różnego rodzaju przetwornikami i czujnikami,
- próbkowanie na każdy kanał do 2,4 kHz (MGCplus) i 1,2 kHz (Spider-8), - efektywna rozdzielczość sygnału: 20 bitów (MGCplus) i 14 bitów (Spider-8), - współpraca z przetwornikami tensometrycznymi w układzie mostka,
półmostka i ćwierćmostka,
- zakres pomiarowy napięć 10 VDC,
- współpraca z przetwornikami impulsowymi do 100 kHz.
2 1
Rys. 6.1. Rozmieszczenie aparatury w ciągniku (opracowanie własne) 1- wzmacniacz Spider-8, 2- wzmacniacz MGCplus
Czujniki pomiarowe współpracujące z systemem HBM
Przedstawiony opis czujników pomiarowych dotyczy czujników mierzących, konieczne przy realizacji pracy wielkości w sposób bezpośredni, jak i czujników wykorzystywanych w metodach pośredniego wyznaczania wielkości.
Tensometry do pomiaru sił na dyszlu opryskiwacza
Do rejestracji naprężeń wykorzystano czujniki tensometryczne o symbolu TF 5/120, które służą do pomiaru naprężeń w jednym kierunku. Tensometry pracowały w układzie mostka Wheatstone’a, z jednym tensometrem czynnym i jednym kompensacyjnym (kompensacja zmian temperatury), tworząc układ półmostka pomiarowego. Do kompensacji wpływu temperatury użyto czujniki tensometryczne o symbolu TF 5/120. Tensometry czynne, w postaci tensometrów jednokierunkowych, naklejono w wybranych punktach pomiarowych, natomiast tensometry kompensacyjne
W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA RUCHU
59 naklejono na metalowych płytkach, umieszczonych w pobliżu punktów pomiarowych (rys. 6.2).
tensometr czynny tensometry kompensacyjne
Rys. 6.2. Widok czujników tensometrycznych do pomiaru siły na dyszlu (opracowanie własne)
Czujniki do pomiaru przyspieszeń mas nieresorowanych ciągnika i opryskiwacza
Do pomiarów przyspieszeń zastosowano, przedstawione na rys. 6.3, czujniki firmy Freescale o symbolu MMA7361LC. Czujniki te zbudowane są na bazie układów MMA736L, które umożliwiają precyzyjny pomiar przyspieszenia w trzech kierunkach, realizowany w całości w pojedynczym module. Zastosowane układy umożliwiają pomiar przyspieszeń o zakresie 6 g działających wzdłuż jednej osi. Czujnik może być stosowany zarówno do pomiaru przyspieszeń statycznych (siła bezwładności, grawitacja, nachylenie), jak też dynamicznych (wibracje).
Rys. 6.3. Czujnik przyspieszeń MMA7361LC [114]
Podstawowe dane techniczne czujnika MMA7361LC [114]:
- zakres pomiarowy – 6 g, - czułość pomiarowa – 206 mV/g, - zasilanie – 2,2 ÷ 16 VDC, - sygnał wyjściowy – analogowy, - temperatura pracy – -40 ÷ +85 °C.
60 Przetworniki do pomiaru kąta skrętu koła kierowanego i pochylenia osi przedniej
Do pomiaru kąta obrotu lewego koła kierowanego oraz pochylenia przedniej osi zastosowano liniowe enkodery obrotowe D5.3501.A221 firmy Kubler (rys. 6.4).
Zaadaptowane do systemu pomiarowego przetworniki zawierają precyzyjny potencjometr, mechanizm bębnowy prowadzący linkę pomiarową oraz sprężynę powrotną zapewniającą zwijanie linki w szybkim czasie i utrzymującej stały jej naciąg.
Podstawowe dane techniczne przetwornika [109]:
- zakres pomiarowy – 0 ÷ 1000 mm, - rozdzielczość – 0,1 mm,
- prędkość pomiaru – maksymalnie 800 mm/s,
- dokładność pomiaru – ±0,35 % całego zakresu pomiarowego, - sygnał wyjściowy – analogowy (0 ÷ 10 VDC),
- zasilanie – 15 ÷ 30 VDC.
Rys. 6.4. Liniowy czujnik przemieszczeń D5.3501.A22 [109]
Czujniki potencjometryczne do pomiaru kąta skrętu koła kierowanego i kata między ciągnikiem a opryskiwaczem
Do pomiaru kąta obrotu koła kierowanego prawego i kąta między ciągnikiem a opryskiwaczem zastosowano precyzyjne czujniki potencjometryczne. Zaadaptowane do systemu pomiarowego czujniki pozwalały na pomiar zmian napięcia w funkcji zmian kąta obrotu. Osie czujników umieszczono wzdłuż osi obrotów koła przedniego i oka dyszla.
Podstawowe dane techniczne czujników [116]:
- rezystancja nominalna – 10kΩ, - tolerancja rezystancji – 10 %, - tolerancja liniowości – 1 %, - moc – 100 mW, - zasilanie – 10 VDC,
W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA RUCHU
61 - sygnał wyjściowy – analogowy,
- charakterystyka – liniowa, - kąt obrotu mechaniczny – 300 ±5 °.
Czujniki inkrementalne do pomiaru prędkości obrotowej koła przedniego oraz kąta skrętu kierownicy
Do pomiaru prędkości obrotowej koła przedniego oraz kąta obrotu kierownicy zastosowano enkodery inkrementalne MOK 40 firmy Wobit (rys. 6.5).
Rys. 6.5. Enkoder inkrementalny MOK 40 [115]
Podstawowe dane techniczne czujników [115]:
- rozdzielczość – 360 imp/obr, - sygnał wyjściowy – impulsowy,
- wyjścia – A, B, C prostokątne, - elektronika wyjściowa – otwarty kolektor, - częstotliwość graniczna – 300 kHz,
- prędkość obrotowa – maksymalnie 5000 obr/min, - stopień ochrony – IP50,
- zasilanie – 12 ÷ 24 VDC.
Czujnik żyroskopowy do pomiaru prędkości kątowych środka ciężkości opryskiwacza
Do pomiaru prędkości kątowych środka ciężkości opryskiwacza wykorzystano czujnik żyroskopowy Pololu LPY550AL (rys. 6.6). Czujnik umożliwiał pomiar prędkości kątowych w dwóch osiach. W trakcie prowadzonych pomiarów mierzono prędkości kątowe przechyłu poprzecznego (roll velocity) i odchylania (yaw velocity).
Rys. 6.6. Czujnik żyroskopowy LPY550AL [113]
62 Podstawowe dane techniczne czujnika [113]:
- zakres pomiarowy – ±500 °/s, - czułość pomiarowa – 2 mV/°/s, - pasmo przenoszenia – 140 Hz, - sygnał wyjściowy – analogowy, - temperatura pracy – -40 ÷ +85 °C, - zasilanie – 2,7 ÷ 16 VDC.
Czujnik siły nacisku na pedał hamulca
Czujnik siły nacisku na pedał hamulca zastosowany podczas badań eksperymentalnych przedstawiono na rys. 6.7. Pomiar polegał na rejestracji zmian napięcia sygnału wyjściowego, który w sposób proporcjonalny zależał od siły nacisku.
Rys. 6.7. Widok czujnika nacisku na pedał hamulca (opracowanie własne) Rozmieszczenie czujników współpracujących z systemem HBM Rozmieszczenie czujników współpracujących w trakcie badań z systemem HBM przedstawiono na rys 6.8. W tabelach 6.1 – 6.5 zestawiono poszczególne grupy czujników.
W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA RUCHU
63
C1 C2
C3 C4
C5 C6
C1
C2 C3
C4
C5 C6 C7 L1
E2
P2
P2 E2
L1 L2
G1
G1 T1 C7
T1 X
Y
X
Z
C8
C8 L2
P1 E1
E1
P1
H1
H1
C – czujniki przyspieszeń
L – czujniki przemieszczeń E – czujniki inkrementalne P – czujniki potencjometryczne T – czujniki tensometryczne G – czujnik żyroskopowy
H – czujnik siły hamowania
Rys. 6.8. Rozmieszczenie czujników (opracowanie własne)
Tabela 6.1. Zestawienie czujników przyspieszeń (opracowanie własne) Oznaczenie Współczynnik
kalibracji k
Jednostka po
przeliczeniu Fotografia
C1 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – ciągnik koło lewe przednie.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
64 c.d. tab. 6.1
C2 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – ciągnik koło prawe przednie.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
C3 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – ciągnik koło lewe tylne.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
C4 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – ciągnik koło prawe tylne.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
C5 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – opryskiwacz koło lewe.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
C6 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – opryskiwacz koło prawe.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA RUCHU
65 c.d. tab. 6.1
C7 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – opryskiwacz środek osi.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
C8 48,5437 m/s2
Opis
Przyspieszenia – opryskiwacz dyszel.
Czujnik przyspieszeń MMA7361LC.
Mierzone kierunki XYZ.
Tabela 6.2. Zestawienie czujników przemieszczeń (opracowanie własne) Oznaczenie Współczynnik
kalibracji k
Jednostka po
przeliczeniu Fotografia
L1 0,6893 rad
Opis
Kąt skrętu koła kierowanego lewego.
Liniowy enkoder obrotowy D5.3501.A221 Kubler.
R = 14,5 mm; 10 = 0.253 mm; 1 mm = 3,950 = 0,0689 rad
L2 – rad
Opis
Kąt pochylenia osi przedniej.
Liniowy enkoder obrotowy D5.3501.A221 Kubler.
kąt = tan(pomiar/310)
66 Tabela 6.3. Zestawienie czujników inkrementalnych (opracowanie własne)
Oznaczenie Współczynnik kalibracji k
Jednostka po
przeliczeniu Fotografia
E1 25,133 km/h
Opis
Prędkość obrotowa koła przedniego – prędkość jazdy ciągnika.
Enkoder inkrementalny MOK 40 Wobit.
Dkoła = 0,8 m; 360 imp/obr
E2 0,02439 rad
Opis
Kąt skrętu kierownicy.
Enkoder inkrementalny MOK 40 Wobit.
Dkier = 82 mm; 1 imp = 1,4 0.
Tabela 6.4. Zestawienie czujników potencjometrycznych (opracowanie własne) Oznaczenie Współczynnik
kalibracji k
Jednostka po
przeliczeniu Fotografia
P1 – rad
Opis
Kąt skrętu koła kierowanego prawego.
Czujnik potencjometryczny.
y=-32,584*x+150,04
P2 – rad
Opis
Kąt między ciągnikiem a opryskiwaczem.
Czujnik potencjometryczny.
y=-75,607*x2+311,96*x-134,22
W ASPEKCIE BEZPIECZEŃSTWA RUCHU
67 Tabela 6.5. Zestawienie czujników dodatkowych (opracowanie własne)
Oznaczenie Współczynnik kalibracji k
Jednostka po
przeliczeniu Fotografia T1
A/B/C/D 210 MPa
Opis
Miara siły wzdłużnej, poprzecznej i pionowej.
Pomiar naprężeń – 4 tensometry, każdy w układzie półmostka z tensometrem kompensacyjnym.
Wartości naprężeń przeliczono na wartości sił.
G1 500 deg/sek
Opis
Prędkości kątowe środka ciężkości opryskiwacza.
Czujnik żyroskopowy Pololu LPY550AL.
Pomiar prędkości kątowych przechyłu poprzecznego i odchylania.
H1 1 V = 1000 N N
Opis
Siła nacisku na pedał hamulca.
Czujnik firmy SensaBRAKE.
6.1.2. System GPS ze wspomaganiem inercyjnym (GPS/INS)