Glidande medelvärde accelerometer

Jag är i färd med att göra en quadcopter. Vid denna punkt stötte jag på ett problem med vinkelberäkningen MPU-6050. När quadcopter är stationär med motorer i off-läge och jag vrider på det, är vinkelavläsningen på alla 3 axlar bra, men när motorerna är på läget börjar läsningarna hoppa överallt och kan även skilja sig från det verkliga värdet med 20 grader. Jag antar att denna effekt beror på mekaniska vibrationer orsakade av motorer. Jag inkluderar bilder av MPU-6050-kortmontering och en gradering av vinkelavläsningar av MPU-6050 i X-axel med Kalman-filter, komplementärt filter och MPU-6050 DMP (Kalman och komplementära filterimplementationer samt bearbetningskod för grafer är från Kristian Lauszus GitHub, DMP används med Jeff Rowberg I2Cdev bibliotek). Jag kopplade andra MPU till olika mikrokontroller, så den skulle inte anslutas elektriskt med en quadcopter och monterad MPU ombord med två svampar från båda sidor av MPU. Resultatet var ganska mycket detsamma. Så nu vet jag verkligen att buller (åtminstone majoriteten av buller) inte är relaterat till strömbrytare från motorer. Vibrationer var anledningen till att jag gav upp ett quadcopterprojekt för ett år sedan. Men problemet är lösbart, bara extremt irriterande att arbeta med. Jag antar att du kombinerar accelerometer och gyrodata (både Kalman och Comp. - filtren är sensorfusionsalgoritmer). kan du försöka justera värdena så att gyro har mycket högre quotcontributionquot till resultatet och accelerometern rättar bara gyro drift. Du kan också försöka lågpassfiltret (i programvara) vinklarna. Och mekaniska lösningar (nylon spacers, bättre ram mm) hjälper också. ndash Mishony May 17 16 at 13:12 Vid MPU DMP programmering använde jag Jeff39s Arduino exempel skiss, jag just ändrade FIFO-frekvensen från 100 Hz till 25 Hz eftersom FIFO överflödde mycket. Vid Kristian filterimplementation: provfrekvens är 1 kHz FSYNC inaktiverad och inställd 260 Hz Kokfiltrering, 256 Hz Gyrofiltrering, 8 KHz provtagningsgyro Fullskalaomfång är 177250degs accelerometer Fullskalaomfång är 1772g PLL inställd med X-axelgyroskop referens inaktiverad viloläge. Svart rak linje representerar 0 grader. Kalman filterlinjen är också svart, det är svårt att se eftersom Kalman-värden ligger nära komplementära filter. ndash Martynas Janknas 17 maj 16 kl 17:07 Se till att högströmskretsen som driver dina ESC delar en gemensam mark med låg effektsignalkrets från mikrokontroller. Jag tyckte att det här var mycket viktigt när min quad byggdes, eftersom det också orsakade några fel med de andra systemen, som RxTx. svarade den 24 maj 16 kl 15:34 Jag har framgångsrikt utvecklat en tricopter flygkontrollen, jag hade också problem med vibrationer så det enda sättet att dela med det är att börja från början och balans motorer, propellrar, etc, bara då borde du vara bra att gå. Om du köper en flygledare ser du att det inte fungerar korrekt med din maskinvara om du inte balanserar allt. Du måste också filtrera resultaten från avläsningar från gyroskopet. Jag har använt ett glidande medelfilter med bra resultat . Här kan du se några test och flygmaskinen. Lycka till med ditt projekt. Vibrationsmätning Vibration kan anses vara oscillation eller repetitiv rörelse av ett objekt runt ett jämviktsläge. Jämviktsläget är den position som objektet kommer att uppnå när kraften som verkar på den är noll. Vibrationer uppträder vanligtvis på grund av de dynamiska effekterna av tillverkningstoleranser, frigörelser, rullande och gnidningskontakt mellan maskindelar och utjämningskrafter i roterande och fram och återgående delar. Ofta kan små obetydliga vibrationer excitera resonansfrekvenserna hos några andra konstruktionsdelar och förstärkas till stora vibrationer och bullerkällor. Ibland behövs mekanisk vibration. Till exempel genererar vi vibrationer avsiktligt i komponentmatare, betongvalsar, ultraljudsrengöringsbad, bergborrningar och stapelförare. Vibrationsprovningsmaskiner används i stor utsträckning för att ge en kontrollerad nivå av vibrationsenergi till produkter och underenheter där det är nödvändigt att undersöka deras fysiska eller funktionella svar och se till att de är resistenta mot vibrationsmiljöer. Vad är vibrationer Vibrerande kropp beskriver en oscillerande rörelse om en referensposition. Antalet gånger en komplett rörelsecykel sker under en sekundsperiod kallas frekvensen och mäts i hertz (Hz). Rörelsen kan bestå av en enda komponent som förekommer vid en enda frekvens, som med en stämningsgaffel eller av flera komponenter som uppträder vid olika frekvenser samtidigt, som till exempel med kolvrörelsen hos en förbränningsmotor. På bilden nedan kan vi se rörelsen i en stämningsgaffel. En stämningsgaffel är en akustisk resonator i form av en tvåkantig gaffel. Den resonerar vid en bestämd konstant tonhöjd när den ställs vibrerande genom att slå den mot en yta eller med ett föremål och avger en ren musikalisk ton. Signal från att ställa in gaffeln i DEWESoft-inspelaren. På bilden nedan kan vi se rörelse av en kolvrörelse, som finns i förbränningsmotorer. Signal från kolvrörelse i DEWESoft-inspelare. Vibrationssignaler i praktiken består vanligen av många frekvenser som uppträder samtidigt så att vi inte direkt kan se bara genom att titta på amplitudtidsmönstret, hur många komponenter det finns och vid vilka frekvenser de uppstår. Dessa komponenter kan avslöjas genom att plotta vibrationsamplituden mot frekvensen. Att bryta ner vibrationssignaler i enskilda frekvenskomponenter kallas frekvensanalys, en teknik som kan betraktas som hörnstenen i en diagnostisk vibrationsmätning. Grafen som visar vibrationsnivån som en funktion av frekvens kallas ett frekvensspektrum. När frekvensanalysmaskinsvibrationer finner vi normalt ett antal framträdande periodiska frekvenskomponenter som är direkt relaterade till de grundläggande rörelserna i olika delar av maskinen. Med frekvensanalys kan vi därför spåra källan till oönskade vibrationer. Enkelt och flera komponenter Maskinvibration De flesta av oss känner till vibrationer som vibrerande föremål rör sig - oscillerar. Det finns olika sätt att vi kan säga att något vibrerar. Vi kan röra ett vibrerande föremål och känna vibrationerna. Vi kan också se rörelse av ett vibrerande föremål. Ibland skapar vibrationer ljud som vi kan höra eller värma som vi kan känna. Maskinvibrationer är helt enkelt fram och tillbaka rörelse för maskiner eller maskinkomponenter. Varje komponent, som rör sig fram och tillbaka eller oscillerar, vibrerar. Maskinvibrationer kan ta olika former. En maskinkomponent kan vibrera över stora eller små avstånd, snabbt eller långsamt, med eller utan märkbart ljud eller värme. Maskinvibrationer kan ofta vara avsiktligt utformade och har sålunda ett funktionellt syfte. Vid andra tillfällen kan maskinvibrationer vara oavsiktlig och leda till maskinskador. Här är några exempel på oönskad maskinvibration. Vad som orsakar maskinvibrationer Nästan all maskinvibration beror på en eller flera av dessa orsaker: Upprepade krafter - De flesta maskinvibrationer beror på att repeterande krafter liknar dem som orsakar att båten ska rocka. Upprepande krafter som dessa verkar på maskinkomponenterna och får maskinen att vibrera. löshet - Lösning av maskindelar gör att en maskin vibrerar. Om delar blir lös kan vibrationer, som normalt är av tolererbara nivåer, bli obehindrade och överdrivna. resonans - Maskiner har sina naturliga svängningar. Vibration orsak Vibration nivå Vibration amplitude är den egenskap som beskriver svängningen av vibrationen och kan kvantifieras på flera sätt. På diagrammet visas förhållandet mellan topp-till-toppnivå, toppnivå, medelnivå och RMS-nivå för en sinusvåg. Topp-till-topp-värdet indikerar vågens maximala utflykt, en användbar kvantitet där t ex vibrerande förflyttning av en maskindel är kritisk för maximal spänning eller mekanisk clearance-överväganden. Toppvärdet är särskilt värdefullt för att indikera nivån av korta varaktiga chocker etc. Men som det framgår av ritningen indikerar toppvärden endast vilken maxnivå som har uppstått och vågens tidshistoria beaktas inte. Det korrigerade medelvärdet tar däremot hänsyn till vågens historia, men anses av begränsat praktisk intresse eftersom det inte har något direkt samband med någon användbar fysisk kvantitet. RMS-värdet är den mest relevanta amplitudmåttet eftersom det tar hänsyn både till vågens tidshistoria och ger ett amplitudvärde som är direkt relaterat till energiinnehållet och därmed vibrationernas destruktiva förmågor. Parametrar Vibrationsparametrar När vi tittade på vibrerande stånggaffeln ansåg vi vågens amplitud som den fysiska förskjutningen av gaffeländen till vardera sidan av vilopositionen. Förutom förskjutning kan vi också beskriva gaffelbenets rörelse med avseende på dess hastighet och acceleration. Vibrationens form och period förblir densamma, oavsett om det är förskjutningen, hastigheten eller accelerationen som beaktas. Huvudskillnaden är att det finns en fasskillnad mellan amplitud-tidskurvorna för de tre parametrarna som visas på ritningen. Hastigheten är i 90 fas med förskjutning, och accelerationen är i 180 fas med förskjutning. För sinusformade signaler, förskjutning, hastighet och accelerationsförstärkningar är matematiskt relaterade med en funktion av frekvens och tid, visas detta grafiskt i diagrammet. Om fasen försummas, vilket alltid är fallet vid tidsmedelvärden, kan hastighetsnivån erhållas genom att dividera accelerationssignalen med en faktor proportionell mot frekvensen och förskjutningen kan erhållas genom att dividera accelerationssignalen med en faktor proportionell mot kvadraten av frekvensen. Genom att detektera vibrerande acceleration är vi inte bundna till en enda parameter. Med elektroniska integratorer kan vi konvertera accelerationssignalen till hastighet och förskjutning. Vibrationsparametrarna mäts nästan universellt i metriska enheter i enlighet med ISO-kraven. Gravitationskonstanten g används fortfarande allmänt för accelerationsnivåer även om den ligger utanför ISO-systemet för koherenta enheter. När ett vibrationsmätning av ett enda frekvensband görs är valet av parametrar viktigt om signalen har komponenter vid många frekvenser. Mätning av förskjutning kommer att ge lågfrekvenskomponenterna mest vikt och omvänt accelerationsmätningar kommer att vikta nivån mot högfrekventa komponenter. Erfarenheten har visat att det totala RMS-värdet av vibrationshastighet uppmätt över intervallet 10 till 1000 Hz ger den bästa indikationen på svängningsvibrationer. En sannolik förklaring är att en given hastighetsnivå motsvarar en given energinivå så att vibrationer vid låga och höga frekvenser är lika viktiga från en vibrationsenergi synvinkel. I praktiken har många maskiner ett relativt platt hastighetsspektrum. Detta leder oss till en praktisk övervägning som kan påverka valet av parametrar. Det är fördelaktigt att välja parametrar som ger det plataste frekvensspektret för att fullt ut kunna utnyttja det dynamiska intervallet (skillnaden mellan de minsta och största värden som kan mätas) av instrumentationen. Av denna anledning väljs hastighets - eller accelerationsparametrar normalt för frekvensanalysändamål. Eftersom accelerationsmätningar väger mot högfrekventa vibrationskomponenter tenderar dessa parametrar att användas där frekvensområdet av intresse täcker höga frekvenser. Naturen hos mekaniska system är sådan att märkbara förskjutningar endast uppträder vid låga frekvenser, därför är förskjutningsmåtten av begränsat värde i den allmänna studien av mekanisk vibration. När små avstånd mellan maskindelar övervägs är vibrerande förskjutning naturligtvis ett viktigt övervägande. Förskjutning används ofta som en indikator på obalans i roterande maskindelar eftersom relativt stora förskjutningar vanligen uppträder vid axelns rotationsfrekvens, vilket också är frekvensen av största intresse för balanseringsändamål. Vad är acceleration och vad är en accelerometer Acceleration är den hastighet vid vilken objektets hastighet ändras i förhållande till tiden (det är derivat av hastighetsvektorn som en funktion av tiden en dvdt). Det är nettoresultatet av alla krafter som verkar på ett objekt. Generellt har vi två grundläggande mätuppgifter för acceleration: acceleration som ett resultat av objektets vibrationsacceleration som ett resultat av objektets förändring, såsom ett fordon (bil, flygplan). Det är stor skillnad i utför dessa två mätuppgifter. Den viktigaste informationen vid mätning av vibrationsacceleration är den dynamiska delen av signalen (objektet rör sig inte). Vid mätning av svängning eller accelerationsbromsning av fordonet är det viktigaste resultatet den statiska delen av signalen som resulterar i hastighetsförändringen. Därför måste sensorerna för mätning av byte av fordonsrörelse ha möjlighet att mäta statisk acceleration (som gravitation) medan sensorerna för mätning av vibrationer vanligen har den statiska delen avlägsnat från resultaten redan av sensordesignen. Det är också viktigt att känna till när hastigheten är avledning av förskjutning (v dsdt), vi kan också mäta acceleration genom mätning av hastighet och härledning av signalen eller genom att mäta förskjutningen och dubbelderivationen. Detta är ett praktiskt fall vid mätning av ytförskjutning genom att använda laser - eller virvelströmsprober. Det är också mycket vanligt att även använda accelerationsmätning för att mäta hastighet och förskjutning. Integrationsprinciperna är olika. Vid integrering av ett fordons rörelse kommer den statiska accelerationen att resultera i hastighetsförändring (och förskjutning). Vi måste veta att när accelerationsmätningen har fel, blir resultatet en drift i hastighet och avstånd. Dessa drivningar bestäms av en accelerationssensorns kvalitet. Med mycket bra sensorer kan ubåtarna till exempel springa i veckor och beräkna fortfarande sin rätta plats, men i den normala världen är vi inte så lyckliga eftersom den dynamiska delen av signalen är mycket högre och förändringsgraden är också högre. Vanligtvis använder vi en annan sensor för att kompensera felet. En av de sensorkombinationer som används mycket ofta är accelerometersats för turnGPS-sensorer. Vid mätning av vibrationer är den statiska delen inte viktig och måste därför avlägsnas vid integrering med högpassfrekvensfiltre. Mätningstyper Accelerationsmätningarna är indelade i följande kategorier: Vibration - ett objekt sägs vibrera när det utför en oscillerande rörelse om jämviktsposition. Vibrationer finns i transport - och rymdmiljöer eller som simuleras av ett shaker system. Shock - en plötslig övergående excitation av en struktur som i allmänhet exciterar strukturerna resonanser. Motion - rörelsen är en långsam rörelse händelse som rörelsen av en robotarm eller en bilupphängningsmätning. Seismic - Det här är mer av en rörelse eller en lågfrekvent vibration. Denna mätning kräver vanligtvis en specialiserad accelerometer med låg noisehigh-upplösning. Accelerometer Accelerometrar är enheter som producerar elektriska signaler (spänning, laddning.) I proportion till erfaren acceleration. Det finns flera tekniker för att omvandla acceleration till en elektrisk signal. Vi kommer att ge en allmän översikt över det mesta av då och sedan titta kortfattat på några andra. Grundprincipen för en accelerometer De flesta accelerometrarna är baserade på Hookes och Newtons första och andra lag. Hookes lag säger att kraften F som behövs för att förlänga eller komprimera en fjäder är proportionell mot förändringen av avståndet x med en faktor k (en konstant faktor karakteristisk för våren). Ekvationen är F k x. Newtons första lag säger att ett föremål förblir i vila eller kontinuerligt för att röra sig med konstant hastighet, om inte det uppträder av någon annan kraft. Hans andra lag säger att kraften F som skapas av ett rörligt föremål är lika med sin massa m gånger acceleration a, vilket ger ekvationen F ma. Det vanligaste sättet att utnyttja dessa lagar är att upphäva en massa på en fjäder från en ram som omger massan (som i bilden nedan). När rammen skakas, börjar den flytta, dra massan med sig. Om massan ska genomgå samma acceleration som ramen måste det finnas en kraft som utövas på massan, vilket leder till en förlängning av våren. Vi kan använda något av ett antal förskjutningstransducrar (som en kapacitiv givare) för att mäta denna avböjning. Den allmänna accelerometern består av en massa, en fjäder eller ett liknande system och en förskjutningstransduktor: Två konfigurationer av piezoelektriska accelerometrar är vanliga: Kompressionstypen där massan utövar en tryckkraft på det piezoelektriska elementet Skjuvtypen där massan utövar en skjuvkraft på det piezoelektriska elementet. Fysiklag Typ av accelerometrar Accelerometrar är utformade genom att använda olika sensing principals. Här är en snabb översikt och sammanfattning för att ge dig en bättre förståelse för dem: Piezoelektriska - Arbeten baseras på det piezoelektriska materialets förmåga att ändra sin elektriska potential när den är under stress. De erbjuder unika fördelar, jämfört med andra accelerometrar. De har ett brett dynamiskt intervall. utmärkt linjäritet, brett frekvensområde (från några Hz till 30 kHz), är de enda accelerometrarna som är i stånd att mäta växlande acceleration men är oförmögna att mäta DC-svar. Eftersom de inte har några rörliga delar ökar hållbarheten. Och till skillnad från andra sensorer behöver de inte en extern strömkälla. Piezoresistive - fungerar på samma sätt som piezoelektriska material, med skillnaden att det ändrar materialets elektriska resistans och inte den elektriska potentialen. Dessa sensorer kan mätas upp till 1000 G, har ett sant DC-svar och en vanligtvis används i mikroprocessorer. Kapacitiv - En metallstråle eller någon annan mikrobearbetad funktion ger kapacitans, som ändras när sensorn accelereras. De används mest i MEMS (Micro-Electro-Mechanical System) accelerometrar och har liknande egenskaper som potentiometrar vad gäller frekvens, dynamiskt område och DC-respons. Potentiometrisk - Potentiometerns torkararm är fäst vid fjädermassan, vilket resulterar i förändring eller motstånd när fjädern rör sig. Den naturliga frekvensen hos dessa enheter är i allmänhet mindre än 30 Hz, vilket begränsar dem till lågfrekventa vibrationsmätningar. De har också ett begränsat dynamiskt intervall, men de kan mäta ner till 0 Hz (DC-respons) Hall effekt - En magnet är fäst vid en fjäder, och när kraft appliceras kommer den att röra sig och orsaka en förändring i hallens elektriska fält element. Magnetoresistiv - fungerar på samma sätt som hall effect sensor, med skillnaden att ett magnetiskt resistanselement används istället för hallelementet. Fiber Bragg-gitter - En eventuell förändring av en optisk fibergitters vinkel resulterar i förändringen av Braggs våglängd, från vilken vi kan beräkna accelerationen. Värmeöverföring - En enda värmekälla centreras i ett substrat. Termoresistorer är lika placerade på alla fyra sidor av värmekällan. När sensorn accelereras kommer värmegradienten att vara asymmetrisk på grund av konvektionsvärmeöverföring. De flesta tillverkare har ett brett sortiment av accelerometrar och vid första anblicken kan det vara ett överväldigande val. En liten grupp av allmänna ändamål kommer att tillgodose de flesta behov. Dessa är tillgängliga med antingen topp - eller sidomonterade kontakter och har känslighet i intervallet 1 till 10 mV eller pC per ms2. DEWESoft accelerometrar De återstående accelerometrarna är gjorda för en viss applikation. Till exempel små accelerometrar som är avsedda för höga eller högfrekventa mätningar och för användning på känsliga strukturer, paneler etc. och som väger bara 0,5 till 2 gram. Andra specialtyper är optimerade för: Samtidig mätning i tre ömsesidigt vinkelräta planer Höga temperaturer Mycket låga vibrationsnivåer Höga nivåer chocker Kalibrering av andra accelerometrar genom jämförelse och för permanent övervakning av industrimaskiner. Kapacitiva piezoelektriska accelerationssensorer Piezoelektricitet är förmågan hos vissa material (särskilt kristaller och vissa keramiska kända piezoelektriska material är kvarts, turmalin, keramik (PTZ), GAPO4.) För att generera en elektrisk potential som svar på applicerad mekanisk stress. Detta kan ske i form av en separation av elektrisk laddning över kristallgitteret. Om materialet inte är kortslutet inducerar den applicerade laddningen en spänning över materialet. Material som producerar en elektrisk laddning när en kraft appliceras på dem uppvisar det som är känt som den piezoelektriska effekten. Piezoelektriska accelerationssensorer arbetar med principen att ett piezoelektriskt material (vanligtvis en artificiellt polariserad ferroelektrisk keramik) är byggd mellan botten av sensorhuset och den seismiska massan. När sensorn flyttas komprimerar denna massa det piezoelektriska materialet vilket ger en mycket liten spänningsutgång. Samlad på elektroden kan den elektriska laddningssignalen med hög impedans konditioneras av antingen intern eller extern elektronik för mätändamål. Accelerometrar som innehåller internelektronik klassificeras som Integrated Electronic Piezoelectric (IEPE), men brukar hänvisas till av användarna som accelerometrar. Piezoelektriska accelerometrar kräver externa laddningsförstärkare för signalkonditionering som kallas laddningslägesaccelerometrar. Spänningsmodusens piezoelektriska accelerometrar innehåller inbyggd mikroekonomisk signalkonditionering. IEPE har antagits som standard av branschens sensor, analysator och datainsamlingstillverkare. Piezoelektriska sensorer används vanligen i modalanalys, miljöbelastningsskärmning, pyrotekniska händelser, flygplanets vibrationstest, flygplanstest och förebyggande och förebyggande underhåll. Spänningsmässighetsaccelerometrar - IEPE Alla dessa spänningsmodellaccelerometrar drivs av en reglerad likspänning och 2 till 20 mA med konstant strömgenerator excitation över ett enkelt tvåvågsskema. Den inbyggda elektroniken konverterar den högimpedansladdningssignal som alstras av det piezoelektriska materialet till en användbar lågimpedanspänningssignal precis inuti transducern. Eftersom utsignalen är lågimpedans kan signalen överföras över långa avstånd och användas i det smutsiga fältet eller bullriga fabriksmiljöer med liten nedbrytning. IEPE-sensorer behöver en strömförsörjning på 4 mA eller 8 mA och de ger vanligen en 5 volt-signal, vilket gör det mycket lättare att överföra dessa signaler över längre kablar. Förstärkare för dessa sensorer är också mycket enklare att bygga, och är därför billigare än vanliga piezoelektriska sensorer. Amplitudmätningsintervallet är ganska begränsat. Vi kunde knappt hitta en sensor som mäter mer än 100g. Det finns enaxel samt triaxial sensorer. På senare tid har riktigt fina storlekar blivit tillgängliga - man kan hitta en triaxial sensor som en kub som mäter så lite som 10 mm och med vikten så lätt som 5 gram. Vi kan använda DEWESoft Sirius eller DEWE-43 för att mäta med dessa sensorer. Sirius ACC kan direkt ansluta IEPE-sensorer medan STG, STG-M eller DEWE-43 behöver MSI-BR-ACC-adapter för att mäta med dessa sensorer. Laddningslägesaccelerometrar Laddningslägespizoelektriska accelerometrar matar ut den högimpedans elektriska laddningssignalen som genereras direkt från det piezoelektriska avkänningselementet. Dessa omvandlare kräver en extern laddningsförstärkare (bättre alternativ) eller en in-line laddningsomvandlare för att omvandla högimpedansladdningssignalen till en låg impedansspänningssignal lämplig för mätändamål. Eftersom utsignalen är högimpedans är laddningssignalen mycket känslig för ljud från omgivningen och flera viktiga försiktighetsåtgärder bör vidtas för korrekta mätningar. Speciella låga koaxialkablar bör användas mellan givaren och den externa laddningsförstärkaren. Dessa kablar är speciellt behandlade (till exempel smörjda med grafit) för att minska triboelektriska eller rörelseinducerade ljudeffekter. Det är också viktigt att hålla hög isolationsmotstånd hos givaren, kablarna och kontakterna genom att hålla dem torra och mycket rena. Med hänsyn till dessa försiktighetsåtgärder jämfört med den enkla driften av spänningsmodasaccelerometrar används laddningslägesaccelerometrar i allmänhet endast vid högtemperatur-, högaccelerationsapplikationer eller om kunderna har hundratals på lager från tider som IEPE-sensorer ännu inte var tillgängliga. Dessutom är den piezoelektriska accelerometern självgenererande så att den inte behöver strömförsörjning. Det finns inga rörliga delar att slita ut, och slutligen kan dess accelerationsproportionella utgång integreras för att ge hastighets - och förskjutning proportionella signaler. Vi kan använda Sirius CHG direkt eftersom det stöder laddningstangenter och MULTI, STG eller DEWE-43 med MSI-BR-CH, men se till att det dynamiska intervallet är tillräckligt för din applikation. Den sista viktiga egenskapen hos alla piezoelektriska omvandlare (spänningsläge och laddningsläge) är deras AC-beteende. Piezoelektriskt material kan inte hålla sin laddningseffekt på grund av en statisk ingång. Med andra ord känner den bara till dynamiska händelser och kan därför inte användas för att mäta DC-acceleration. Utformningen av laddningsförstärkarelektroniken (antingen integrerad intern eller extern) definierar mätfrekvensens lågfrekventa AC-par. Typisk lågfrekvent prestanda hos piezoelektriska accelerometrar sträcker sig från flera Hz. En jämförelse mellan IEPE och laddningslägesgivare: Statiska accelerationssensorer - MEMS-sensorer Både, laddnings - och IEPE-sensortyper har en gemensam begränsning: de kan inte mäta statisk acceleration. De börjar vanligtvis mätas från 0,3 Hz till 10 Hz, beroende på givaren. För statiska eller mycket lågfrekventa mätningar måste användaren använda en annan typ av sensor. Mycket populär typ är sensorn Micro-Electro Mechanical System (eller MEMS). Detta är faktiskt en mikrochip som har en mekanisk struktur (en cantilever beam eller seismisk massa) som ändrar sin elektriska egenskap (vanligtvis kapacitans) relaterad till accelerationen. Kapacitiva gränssnitt har flera attraktiva funktioner. I de flesta mikromachiningsteknologier behövs ingen eller minimal ytterligare behandling. Kondensatorer kan fungera både som sensorer och manöverdon. De har utmärkt känslighet och transduktionsmekanismen är okänslig för temperaturen. Kapacitiv avkänning är oberoende av basmaterialet och är beroende av kapacitansvariationen när en kondensators geometri förändras. Typisk MEMS accelerometer består av rörlig provmassa med plattor som är fastsatt på ett mekaniskt upphängningssystem i en referensram, som framgår av bilden nedan: MEMS-sensorer var mycket speciella, eftersom de användes för att mäta jordbävningar eller andra långsamma rörelser. Men med utvecklingen av krockkudde teknik var det stort behov av att göra en billig sensor som mäter den statiska accelerationen. Därför framkom den enkla chiplösningen för detta ändamål. Senast används dessa sensorer även i billiga gyrosystem och vi kan hitta sensorer som också har ganska bra bandbredd upp till flera kHz och ganska låg ljudnivå (även om de är större än IEPE-sensorer med samma mätområde). De blev oumbärliga inom bilindustrin, dator och audio-video-teknik. Välja rätt sensor När du väljer någon typ av sensor är det viktigt att du svarar på följande frågor: Vad mäter vi och under vilka förhållanden Vilka är relevanta faktorer för våra mätningar Vad vill vi få från våra mätningar vad gäller kvalitet, kvantitet och pris Det följande är en kort sammanfattning av egenskaperna. Jordisolering Accelerometrar med markisolering har vanligtvis en isolerad monteringsbas och en isolerad monteringsskruv, eller i vissa fall är hela accelerometerns fodral marken isolerad. Markisolering blir viktig när testytans yta är ledande och vid markpotential. En skillnad i markspänningsnivåerna mellan den elektroniska instrumentationen och accelerometern kan orsaka att jordslingan resulterar i felaktiga data. Känslighet Känsligheten är den första egenskapen som normalt beaktas. Helst önskar vi en hög utgångsnivå, men här måste vi kompromissa eftersom hög känslighet normalt kräver en relativt stor piezoelektrisk montering och därmed en relativt stor tung enhet. Under normala omständigheter är känsligheten inte ett kritiskt problem eftersom moderna förförstärkare är utformade för att acceptera dessa lågnivå signaler. Lågfrekvensområde Kravet på vibrationsmätningar är vanligtvis att sensorn har en lägre högpass-cutoff än frekvenserna av intresse för de enheter som för närvarande testas. På en roterande maskin som normalt körs med 50 Hz, kan vi välja en sensor med 5 Hz avskärning. Vid mätning av bygg - eller fartvibrationer måste denna nivå vara mycket låg. En annan viktig sak att tänka på är bandbredd, eftersom ju lägre det blir desto längre är återhämtningstiden från stötar eller överbelastningar. Förstärkaren bör också följa sensorens bandbredd. Det är trevligt om förstärkaren har minst två intervall för att vara mer flexibel i mätningar. En typisk applikation för lågfrekventa mätningar är pappersbrukets rullar. De har en frekvens på 15 Hz, där användaren behöver en sensor med 0,3 Hz eller mindre bandbredd. För dessa applikationer är laddning eller IEPE lämpligast. Om vi ​​behöver mäta statisk acceleration behövs en annan sensorteknik, som MEMS-sensorer. Det lågfrekventa området, över vilket accelerometern ger en sann utgång, är i praktiken begränsad vid lågfrekvensänden av två faktorer. Den första är den lågfrekventa avstängningen av förstärkaren som följer den. Det här är normalt inte ett problem eftersom gränsen vanligen ligger långt under en Hz. Den andra är effekten av omgivande temperaturfluktuationer, som accelerometern är känslig för. Med modern accelerationsmätare för skjuvtyp är denna effekt minimal, vilket möjliggör mätningar under 1 Hz för normala miljöer. Bandwidth (frequency range) Mechanical systems tend to have much of their vibration energy contained in the relatively narrow frequency range between 10 Hz to 1000 Hz but measurements are often made up to say 10 kHz because interesting vibration components are often present at these higher frequencies. Therefore, we must ensure, when selecting an accelerometer, that the frequency range covers the range of interest. The upper limit is determined by the resonant frequency of the mass-spring system of the accelerometer itself. As a rule of thumb, if we set the upper-frequency limit to one-third of the accelerometers resonance frequency, we know that vibration components measured at the upper-frequency limit will be in error by no more than 12. With small accelerometers where the mass is small, the resonant frequency can be as high as 180kHz, but for the somewhat larger, higher output, general purpose accelerometers, resonant frequencies of 20 to 30kHz are typical. We need to be careful about the increased sensitivity at sensor high-frequency end due to its resonance. Reading in this area will be too high but can be removed in the frequency domain if sensor transfer characteristics is known (by using transfer curves in DEWESoft). Amplitude range Charge sensors have the biggest amplitude ranges (special designed shock sensors can have more than 100 000 g amplitude range), but IEPE are also fairly high (up to 1000 g). MEMS sensors usually have very limited range (up to few hundred g). For general purposes, it is best to use IEPE, whereas for high levels piezoelectric sensors are better. Sometimes (for example for seismic applications) an accelerometer with high sensitivity is required (2 g or lower range). Maximum shock level The charge sensors are the least sensitive to shock. They can sustain up to 100 000 g of shock while IEPE can usually take not more than 5 000 to 10 000 g. MEMS sensors are even more sensitive to shock. Noise level The residual noise level defines the lowest amplitude level of what the sensor will measure. This is also the reason why we should take a sensor with the optimum measurement range because sensors with a higher range will also have a higher noise level. IEPE sensors have very high dynamic range (we can see signals better than 160 dB below the maximum range). Charge sensors are similar, but we need to consider that the noise can be easily generated in the cable. MEMS sensor is much worse in dynamic range limited by internal electronics. Temperature range All the sensors, that include electronics, have a limited high-temperature range, up to 130 deg C. The temperature range of charge sensors is much higher - even up to 500 deg C. Please note however that this also requires a high-temperature cable. All piezoelectric materials are temperature dependent so that any change in the ambient temperature will result in a change in the sensitivity of the accelerometer. Piezoelectric accelerometers also exhibit a varying output when subjected to small temperature fluctuations, called temperature transients, in the measuring environment. This is normally only a problem when very low level or low-frequency vibrations are being measured. Modern shear type accelerometers have a very low sensitivity to temperature transients. When accelerometers are to be fixed to surfaces at higher temperatures than 250C, a heat sink and mica washer can be inserted between the base and the measuring surface. With surface temperatures of 350 to 400C, the accelerometer base can be held below 250C by this method. A stream of cooling the air can provide additional assistance. MEMS sensor temperature range is limited by internal electronics (from -40C to 125C). In some applications, like modal testing, weight can be a big factor due to the mass loading effect. The added mass to the structure changes the dynamic behavior, so ideally a sensor should have no mass at all. That is the kind of hard to achieve by normal design, but we can use laser contactless sensors in such cases. As a general rule, the accelerometer mass should be no more than one tenth of the dynamic mass of the vibrating part onto which it is mounted. Ground loops The ground loop currents can flow in the shield of accelerometer cables because the accelerometer and measuring equipment are earthed separately. The ground loop is broken by using an isolated sensor, an isolated amplifier or electrically isolating the accelerometer base from the mounting surface by means of an isolating stud. Cable noise Cable noise is mainly the issue of piezoelectric accelerometers having a high output impedance. These disturbances can result from triboelectric noise or electromagnetic noise. Triboelectric noise is often induced into the accelerometer cable by mechanical motion of the cable itself. It originates from local capacity and charge changes due to dynamic bending, compression and tension of the layers making up the cable. This problem is avoided by using a proper graphitized accelerometer cable and taping or gluing it down as close to the accelerometer as possible. Electromagnetic noise is often induced in the accelerometer cable when it is placed in the vicinity of running machinery. Transverse vibrations Piezoelectric accelerometers are sensitive to vibrations acting in directions other than coinciding with their main axis. In the transverse plane, perpendicular to the main axis, the sensitivity is less than 3 to 4 of the main axis sensitivity (typically lt 1). As the transverse resonant frequency normally lies at about 13 of the main axis resonant frequency this should be considered where high levels of transverse vibration are present. Accelerometer mass Choosing the mounting position for the accelerometer The sensors can be mounted in different ways. The bandwidth of the sensor is especially sensitive to the way it is mounted. The method of mounting the accelerometer to the measuring point is one of the most critical factors in obtaining accurate results from practical vibration measurements. Sloppy mounting results in a reduction in the mounted resonant frequency, which can severely limit the useful frequency range of the accelerometer. Stud - it is best to drill a hole in the test specimen and fix the sensor to the surface with a screw. This should not affect any sensor property. Obviously, in some cases a customer might not be particularly thrilled to do this, for example, to his brand new prototype of an airplane wing. Adhesive - another type of mounting, which doesnt affect the bandwidth that much is a thin double sided adhesive tape or bees wax (this is limited in its temperature range). Magnet - a very widely used mounting technique for machine diagnostics is to mount the sensor on a magnet. This will still produce a good bandwidth, but of course, the surface must be ferromagnetic (not aluminum or plastic). On sensors where we can use the mounting clip, we can glue the mounting clip up front and then just attach the sensor itself. A quick and dirty solution is also to hold down the sensor with the a hand on a rod. This is useful for some places which are hard to reach, but the bandwidth will be cut to 12 kHz. The accelerometer should be mounted so that the desired measuring direction coincides with its main sensitivity axis. Accelerometers are also slightly sensitive to vibrations in the transverse direction, but this can normally be ignored as the transverse sensitivity is typically less than 1 of the main axis sensitivity. A graph below is showing the bandwidth reduction from different mounting methods: Mounting option Eddy-current sensor Eddy-current sensors are noncontact devices capable of high-resolution measurement of the position andor change of position of any conductive target. Eddy-current sensors are also called inductive sensors, but generally eddy current refers to precision displacement instruments and inductive refers to inexpensive proximity switches. High resolution and tolerance of dirty environments make eddy-current sensors indispensable in todays modern industrial operations. Eddy-current sensors operate with magnetic fields. The driver creates an alternating current in the sensing coil at the end of the probe. This creates an alternating magnetic field with induces small currents in the target material - these currents are called eddy currents. The eddy currents create an opposing magnetic field which resists the field being generated by the probe coil. The interaction of the magnetic fields is dependent on the distance between the probe and the target. As the distance changes, the electronics sense the change in the field interaction and produce a voltage output which is proportional to the change in distance between the probe and target. The target surface must be at least three times larger than the probe diameter for normal, calibrated operation. Eddy-current sensors are used to detect surface and near-surface flaws in conductive materials, such as metals. Eddy current inspection is also used to sort materials based on electrical conductivity and magnetic permeability, and measures the thickness of thin sheets of metal and nonconductive coatings such as paint. Detects surface and near surface defects. Only conductive materials can be inspected. Test probe does not need to contact the part Ferromagnetic materials require special treatment to address magnetic permeability. Method can be used for more than flaw detection. Depth of penetration is limited. Minimum part preparation is required Flaws, that lie parallel to the inspection probe coil winding direction, can go undetected Tolerance of dirty environments Skill and training required is more extensive than other techniques. Not sensitive to material in the gap between the probe and target Surface finish and roughness may interfere. Less expensive and much smaller than laser interferometers Reference standards are needed for setup Position measurement Eddy-Current sensors are basically position measuring devices. Their outputs always indicate the size of the gap between the sensors probe and the target. When the probe is stationary, any changes in the output are directly interpreted as changes in position of the target. This is useful in: automation requiring precise location machine tool monitoring final assembly of precision equipment such as disk drives precision stage positioning Vibration measurement Measuring the dynamics of a continuously moving target, such as a vibrating element, requires some form of noncontact measurement. Eddy-Current sensors are useful whether the environment is clean or dirty and the motions are relatively small. Eddy-current sensors also have high-frequency response (up to 80 kHz) to accommodate high-speed motion. They can be used for: drive shaft monitoring vibration measurements Eddy-current sensor Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since the vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity, and displacement, it is helpful to actually show the vibration. This example has a shaker with an attached light plastic structure that has a low natural frequency. At the same time, a video of the movement of this beam was taken with a high-speed camera. This helps to really see the vibrations as they were measured with the accelerometer. It is always advisable to use a measurement device with anti aliasing filter. Otherwise, we can never be sure that the measurement is correct. Quite often acceleration in a high-frequency range (around 20 kHz) is very high. If a device without anti aliasing filters is used, and samples with lower sampler rates are taken, those high frequencies will be mirrored in the lower range. Especially for the measurements like modal analysis this is the most important criteria. Below is the analog channel setup. There are two ACC modules we will use for the measurement of vibrations. Lets look how to scale the measurements. Sensor setup There are three ways to perform the setup of the sensor: user can enter it from the calibration sheet, user can calibrate it with the calibrator, user can use TEDS technology to read out calibration values. Entering the setup from the calibration sheet. It is helpful to take a look at the sensor calibration sheet. There is the sensitivity of the sensor, expressed either in mV(ms2) or mVg (or both) for IEPE sensors and in pCg for piezoelectric (charge) sensors. The picture below shows the calibration data sheet for a triaxial sensor. The Reference sensitivity is the key value to be entered in the DEWESoft setup. First, as usual, we should enter the Units of measurement. In this case, we use ms2. Then it is the best to go to the Scaling by function section. We check the Sensitivity box and enter 9.863 mV(ms2) in the sensitivity field. Also do not forget to set IEPE measurement. The second way is to do the calibration. We can use a standard old accelerometer calibrator which outputs 10 ms2 peak level acceleration (7,07 ms2 RMS). The sensor is attached to the calibrator, and the acceleration level is adjusted to the sensor mass. Then we enter in Scaling by two points the acceleration level of 7,07 ms2 and click calibrate from RMS. The current measured voltage level in mV is written to the second point scaling. There we can already see if the calibration was successful or not. In the data preview, we can see that the peak level is approximately 10 ms2 and the RMS is around 7,07. We can also select the Scaling by function and compare measured sensitivity to the calibration data sheet. The third, quite a new way of sensor setup, is the use of an electronic calibration sheet - TEDS. With a TEDS sensor, it is quite easy to select settings. Plug in the sensors in Sirius ACC, run DEWESoft and the sensors should be recognized immediately. TEDS works only if the amplifier is in IEPE mode (it doesnt work in the voltage mode). If this is set up later (after the first scan) or if we plug in the sensor when DEWESoft is already running on the setup screen, the TEDS sensors need to be rescanned. This can be done by clicking on the AMPLIFIER column caption on the basic setup screen and selecting the Rescan modules option. TEDS will also work with MSI-BR-ACC. When a sensor is correctly recognized, scaling factors, sensor serial number, and Recalibration date will be read from the sensor. In the setup screen, the user doesnt we have to enter the sensitivity since it is already filled in from the sensor. This principle is easy and straightforward, and it prevents user errors. Math setup - velocity and displacement The second step is to calculate the vibration velocity and the displacement. This can be achieved in the math section with the filter, since the integrator is actually nothing more than a filter. We enter integration and double integration in the setup - first will be the integrator (for calculation of vibration velocity) and the second one will be the double integrator (for measurement of the displacement). Lets go to the channel setup of the first math formula. First, we need to choose the input channels. We must select Acceleration. It is quite a common error to forget to choose the correct input channel, so it is advisable to do this step first. Then we should choose the Integration as math operation. Since the DC offset is merely an error in measurement and calculation, we need to set up the high pass filter (in Flow field) to cut off the DC offset. For single integration, the Order of the filter needs to be at least two(if filter order is one, there will be static offset left in the result, if there is no filter, it will drift away). Next, we enter the units. If the integration is from acceleration to velocity and the acceleration unit is ms2, the output unit is normally ms. If the scale is 1, the units are in ms. If we choose the scaling factor 1000, we will have units in mms. It is also interesting to know the vibration displacement. For this, we should setup another channel by again selecting Acceleration and selecting double integration. Since the double integrator is in fact a second order filter, we need to set the high pass filter to the Order at least three or higher. Usually the displacement caused by the vibration is not visible by the eye, and is measured in micrometers, but since this measurement has quite high values, the output unit was set to be in mm. The scaling factor is therefore again 1000. We can already see in the preview that the peak-peak movement is around 15 mm and since this is a value which can be confirmed with the eye, we can be sure that the scaling factors and the settings are correct. Channel setup - velocity and displacement Displacement and vibration velocity can also be calculated from the acceleration in DEWESoft much easier. Just go to the setup of the acceleration channel from which you want to get displacement or velocity. Displacement To get displacement check the checkbox at Displacement. When the displacement checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and displacement is second integration of acceleration. To get vibration velocity check the checkbox at Velocity. When the velocity checkbox is checked the following setup will appear. The input signal is signal from accelerometer and velocity is integration of acceleration. Vibration analysis - acceleration, velocity and displacement In the analysis mode, we can look through the data. Here, one picture is put on top of another to see the movement of the accelerometer. The first picture below is the upper point of displacement. On the scope of the right, we can see nicely that the acceleration, displacement, and velocity are phases shifted. On the recorder graph below, we can analyze the acceleration, velocity, and displacement. The displacement (blue curve) is in the upper position. The velocity (red curve) is zero - this is also clear because the upper point is a turnaround and before reaching this point on the top, the velocity is decreased and at the top point, the velocity is zero. The acceleration (green curve) at the top is at maximum in the negative direction. Acceleration is the rate of change of the velocity. We can see from the velocity curve that the rate of change is at a maximum at the top therefore the acceleration is at its maximum at the top dead point Now lets go to the next significant point of the movement - the center point. We can see that it is the center point because the displacement is in the middle. The velocity of the center is at a maximum in the negative direction. The beam is reaching the middle point with the maximum velocity, and it will slowly start to decelerate. Acceleration at that point is zero - when a body is standing still or moves with constant velocity, its acceleration is zero. This can be confirmed by observing the blue acceleration curve. The third significant point is the bottom point. Here, a top point is shown in the background for reference. Displacement is at the lowest point, velocity is zero and will continue to increase, the acceleration is at a maximum in the positive direction - the speed is changing at a maximum rate at this point. We conducted a simple experiment to get a better feeling about the vibration measurement. In practice, the vibration measurement would surely look different, but we would use the same basic principles as shown in this example. Vibration measurement - example Lets do some vibration measurements in DEWESoft. Since vibration is difficult to visualize and since there were lots of questions about the difference between acceleration, vibration velocity and displacement, it is helpful to actually show the vibration. Measurement was made with our new shaker. We tested our new product KRYPTON. Vibration durability test Video shows the vibration durability test of our latest product - KRYPTON. On the picture below we can see the screenshot from a software that runs the shaker. We set the frequency sweep from 10 Hz to 250 Hz, and the maximum acceleration was up to 33 g. On the shaker near KRYPTON, the DEWESoft accelerometer was fixed with a glue. Lets see the signal from the accelerometer. Lets take a look at the maximum acceleration detected by DEWESoft accelerometer. As it is seen in the picture, maximum was at 325.9 ms2, which is 33 g. We have also made a formula for vibration velocity and displacement like it was described on previous pages. The result is already known. Shock test Next test was shock test. Product is exposed to multiple shocks that reach 50 ms2 in our case, but can go up to 100 ms2. Next measurement was made with drop test. As you can see in the video below the product is lifted up, and then falls down, because of gravity. When the aluminium plate hits the ground, the object under test can be hit with 900 g. In our case, KRYPTON was hit with 957.5 ms2 which is equivalent to almost 100 g. Envelope detection Envelope detection is a procedure for early detecting of faults on ball bearings. To add a new envelope detection math module go to a math section and select Envelope detection under Add math section. Envelope detector has several stages and for each stage the parameters must be set: Calculation type defines the principle of calculation: Filtering - uses filter procedure for envelope calculation. Filtering is a standard procedure for calculating envelope used also in other implementations. Peak detection - uses the procedure of detecting peak values in the signal. Peak detection is a procedure which calculates amplitudes more exact than filtering. Use Bandpass checkbox enables or disables the first stage of calculation - band pass filtering. Acceleration sensor measures entire frequency range and acquires unbalance, misalignment and other faults on the machine. Ball bearing errors have very low energy and, therefore, is a small contribution to entire frequency spectrum. Signal band At signal band setup, we have to define lower and upper frequency limit Envelope band At envelope band setup, we have to define lower and upper frequency limit Bearing database In bearing database, we select the type of the machinery. If it is not listed you can add your own in XML database file. The frequency of interest is automatically calculated based on a geometry. When an error of the ball bearing occurs, it will produce ringing with a frequency which corresponds to its natural frequency. This ringing will repeat each time when a damaged part of the ball hits the ring or vice versa. We have to know also that inner ring, outer ring, cage and balls have different typical repeating frequency depending on the geometry of the bearing and the rotational frequency. To only focus on these high frequencies of the ringing, we have to look at the original frequency spectrum. We have generated a sine wave which have a small 10 kHz rings on top. In the frequency domain, we dont see at all the frequency that the ringing repeats, but only a major sine wave (could come from unbalance) and very high frequency coming from the bearing. Bandpass filtering in the envelope detector must be set to remove all components except ringing of the ball bearing. This can be usually found around 10 kHz. In our example, I have set lower frequency limit to 6 kHz and upper limit to 12 kHz to get all the energy. Signal after filtering would look like this: Only high frequency remains, but we still dont see the main low frequency with which the rings are repeating. Therefore, we have to apply an envelope to the signal. Envelope will draw a curve around the peaks of the signal, producing only positive part of the data. To do correct amplitude, we have to choose the Envelope band frequency. Bearings usually have typical frequencies up to 500 Hz and we also might want to Remove DC component in order to see nice frequency spectrum without large DC value coming from DC offset. After this filter, the signal looks like in the picture below and frequency spectrum of the envelope signal reveals the frequency of hits. This was simulated case to see the math procedure behind calculation. In reality, the signal will look like this. Not much to see from the time signal, but with calculation of typical frequencies we can see that the outer ring frequency is clearly shown in the FFT of the envelope signal. Following picture shows the typical damage of the outer ring of the large bearing (courtesy of Kalmer d. o.o. Trbovlje).Evil Mad Scientist Laboratories Using an ADXL330 accelerometer with an AVR microcontroller The last decade has seen more than an order of magnitude drop in the price of accelerometers. devices capable of measuring physical acceleration (often in more than one direction). History suggests that whenever a useful technology makes a precipitous drop in price, unexpected applications follow, and that8217s exactly what has happened in this case. Starting from zero and summing up acceleration, you can use an accelerometer to find velocity, and from that derive relative position information. By measuring the acceleration due to gravity, one can also determine orientation (technically, inclination)8211 you can tell which way it8217s pointing. Those are pretty useful skills for a chip And so as bulk prices for tiny chip-scale three-axis accelerometers have begun to approach 5, they have started to appear in all kinds of mass-market applications that you might not have predicted: laptop computers (for hard drive protection), smart phones and cameras (for orientation8211 e. g. portrait vs. landscape on the iPhone), cameras for image stabilization, and quite visibly in the controllers for Nintendo8217s Wii system. With all that promise, you might think that an accelerometer is a difficult beast to harness. That turns out not to be the case. In this little project we demystify the mighty accelerometer and show you how to get started playing with one. In the spirit of hobbyist electronics we do this the easy way8211 without designing a PCB or even soldering any surface-mount components. Note: An updated version of this article is now available here . Our project consists of two main elements: the accelerometer chip and a microcontroller that will read out the data and display it. Let8217s first focus on the accelerometer. We8217ll be using the ADXL330, which is a very popular little XYZ accelerometer made by Analog Devices. It8217s actually the same chip that you would find as the accelerometer inside the Nintendo Wiimote controller. Purchased one at a time, on its own, this chip costs about 11.50 from Digi-Key. and the price goes down to about 7.25 in large quantity. (If you are Nintendo, the price is even lower.) One of the downsides to new and fancy devices like these is that they tend to come in unfriendly packages. The ADXL330 is only available in a 16-pin LFCSP that8217s a plastic package 4 mm X 4 mm, with pins that can be seen through a good magnifying glass. While it8217s hard to work with on it8217s own, there actually is a good solution for playing with this: get a breakout board. This breakout board from SparkFun comes complete with a ADXL330 accelerometer soldered in place. The relevant connections to the chip are broken out into a row of 0.18243 spaced holes (which I have filled in with a six-pin header) and the three sensitivity axes of the chip are clearly labeled with bright markings on the silkscreen layer8211 a nice touch. The board is Sparkfun SKU: SEN-00692. 35. Yes, it costs a fair bit more than the bare chip itself, but the price is fair and the convenience factor can8217t be beat. (If cost really is an issue, one potential option is to actually use Nintendo8217s buying power to your benefit: disassemble a wii nunchuk controller (20) to get at the similar accelerometer that lives in it. You could even take apart the Wiimote itself, if you can get a good price on the unit. In any case, getting at the connections to the chip will be much more difficult than just buying a decent breakout board.) The accelerometer actually has a very simple analog interface. We only really need to connect to five pins on it. First, it wants power. It needs 1.8-3.6 V (and ground), and just to keep our discussion simple, let8217s plan on using 3V for everything8211 either use a single lithium coin cell two alkaline AA cells in series. The chip also has three analog outputs8211 one for each direction. On these outputs, 1.5 V (really, halfway between the power and ground rails) represents zero acceleration, and deviations from that, either higher or lower, represent higher or lower accelerations. The chip is sensitive to accelerations of - 3 g in each direction. (There is a sixth pin on the breakout board, which is for a self-test feature on the ADXL330 that we will not be using.) Next, we need a simple microcontroller to read out the analog outputs and process them. We8217re using the Atmel ATmega48, a member of the ATmega4888168 series of AVR microcontrollers. If you8217re new to programming AVR microcontrollers, you have an extra step and some reading to do here. (And, as it turns out, this actually is an excellent example of a 8220first8221 microcontroller project for anyone.) To get up to speed, please read LadyAda8217s tutorial. As is explained in the tutorial, you will need an AVR programmer (e. g. USBtinyISP. 22) and a working installation of the (free) AVR software toolchain. Now we come to actually building up the hardware. The first step is to build a simple target board for the ATmega48 a board on which the chip can be programmed. As explained in that article, we need a socket for the AVR (28-pin 0.38243 DIP), a 6-pin DIL header, a battery holder (in this case lithium coin cell or 2 X AA), and a piece of prototyping perfboard to build it all on. Besides those, we also have the accelerometer breakout board, of course. From the battery (left side) we hook the postive end to the indicated pins (Vcc, V) of the microcontroller (3 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The negative side of the battery is our effective ground, and get wired up to the ground pins of the microcontroller (2 places), the ISP header, and the ADXL330 breakout board. The four remaining pins on the ISP connector (the 2 x 3 header) also need to be wired up to the matching pins on the microcontroller: MOSI, MISO, SCK and RESET. We have skipped drawing the wires here to keep the diagram from looking like this. Hopefully, you learned connect-the-dots long before soldering. P Next, wire up the outputs of the ADXL330 board to the ADC inputs of the microcontroller as shown. X output to pin 28, Y to pin 27, Z to pin 26. Finally, we add some indicators: two LEDs (one red, one blue) for each of the three axes. The big idea is that when there is no acceleration in (say) the X axis direction, both LEDs are off. When it detects acceleration one way, the red LED lights up (and lights up more, the harder the acceleration is) and it lights up blue for acceleration in the opposite direction. (Naturally, the other two axes work the same way.) To do this, we8217re using the pulse width modulation outputs from the three timers (timer 0, timer 1, and timer 2) on the microcontroller. Each timer has two outputs, called 8220output compare8221 pins A and B, which go to the two LEDs. The six outputs are called OC0A, OC0B, OC1A, OC1B, OC2A, and OC2B, and are hooked up to the LEDs as indicated in the diagram. The AVR can directly drive LEDs of either color, without a series resistor, when powered by a lithium coin cell. However, it turns out that the AVR cannot be programmed in the circuit if the red LEDs are hooked up as shown but without the series resistors. (That8217s because of the difference in LED forward voltage for the two colors.) If you use an alkaline battery to run this circuit, you may wish to put a small resistor ( 30 ohms) in series with the blue LEDs as well. Two minor details, not shown in the diagrams. First, the ADXL330 breakout board is socketed8211 I cut apart a dip chip socket to make a holder for the breakout board 6-pin header so that it doesn8217t have to be permanently soldered to this setup. Secondly, I added a small power switch by the battery holder that lets you switch the circuit on or off easily. You can download the firmware program (C code) for the AVR here (11 kB. ZIP file). It8217s a very simple AVR-GCC program, licensed under the GPL. It reads in three analog inputs sequentially, and lights up the six display LEDs depending on the values that it reads. Once you8217ve gotten the AVR programmed, it should be ready to go and show you outputs that depend on the acceleration. As you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. If you aren8217t wildly swinging the board around, what you8217ll see is just the steady-state gravitational acceleration displayed. You might call it a precision tilt sensor, and it can tell you which way is up. If we tilt our board left or right, such that the X-axis is now pointing slightly up or down (slightly with or slightly against gravity) you can see the X-axis LED pair, which is the on the left, switch from red to blue: If instead we tilt the board forward and back, such that the Y axis is along or against gravity, you see the same thing for the middle pair of LEDs: Finally, the Z indicator pair, on the right, is blue until you turn the board upside down8211 or shake it up and down. So that8217s it: a working 8220Hello world8221 for an accelerometer, all the way up to blinking LEDs. Our C code is intentionally simple, and ready to mod. What can you do with it Soon, your little homebrew robot8211 or maybe gigantic evil death machine8211 will be able to tell how far it8217s been, which way it8217s facing, and which way is up. We think that this a useful building block, and we8217ll be interested to see what other new things people build with it. Note: An updated version of this article is now available here . Post navigation Good job, there are not too many accelerometer interface articles out there. I have a question, is this accelerometer able to be used for vibrational measurements You say quotAs you swing it around, even fast, you can see the LEDs responding to motion in the different directions. quot I am currently designing a system that records wheel flats on railway wagons, and was wondering if such a system would pick up such a vibrational anomaly Can you describe the amount of movement required to change the LEDs A video of you shaking your system around (slow, easy 8211 fast, hard) would be awesome You certainly could use the accelerometer for vibrational measurements. The particular response of the LEDs is really easy to change and if you wanted to, you could make the display much more sensitive than I have here. Excellent, thats great. This could help me in my endless quest for stabilized video from a bicycle mount. Is there any way to take the - 3V and drive a 6-12V linear actuator with fast smooth motion If so then I could get rid of all my aluminum arms bearings, springs, Too cool. Thanks That certainly could be done. The chip output is 0-3 V, by the way (or - 1.5 V from 1.5 V), not - 3 V. What kind of a drive depends on what type of actuator you8217re using, but it doesn8217t sound like a big challenge to do what ever kind of level translation and high-current buffering you might need. Great work first all. By the I8217m working on my final year project making use of DsPIC P30F6014A to read in analogue outputs of the adxl330 x, y,z pins. I got few questions though 1) what is the best reference voltage that can be chosen for DsPic P30F6014A when interfacing adxl330 to get better results 2) The out impedance of adxl330 is 32k, PIC amp Atmel processors require 10k or less. How did you go about this Some suggesting using OPAM non-inverting. Your help is very much appreciate. Email me at keleisteinyahoo. co. uk 1) Use a voltage reference chip. TI makes a number of good ones, for example. 2) The Atmel chips do not quotrequire 10k or less, quot they just recommend it for fastest response, and in this context 32 k is not far from 10 k in any case. for your case you seem to have used 3volts for your reference voltage. Did you connect your vref - to the ground How about deriving 3volts using voltage divider, are there any complications Excellent stuff Keep it up Hi, Thanks for this excellent tutorial. It8217s my first try on an AVR and I managed to get it working (amazing), but can8217t figure one thing out The led8217s dont show any difference between soft shaking and hard shaking. Ive previously made a setup with an Arduino and Nunchuck (which is eventually the same hardware as this tutorial, if I understand well) and that gives a very nice difference between soft and hard shaking. Should this setup do that as well, or would it be able to I have no experience in C so have a hard time trying to understand and reconfigure the script, so any clues to where to look and how to amend which part of the code would be much appreciated. Also another question, would it be a problem to run this on 4.5V or more I8217d like to get more light out of it. Many thanks When built correctly, this project should give smoothly changing LED output8211 able to detect and display small angles. Hi, Thanks for your reply. I didn8217t mean the transition is not smooth 8211 the brightness changes very smoothly when tilting the device, which strength I was also able to amend in the code with the (originally) 2 multiplier. What I meant though is acceleration, instead of tilt. If I suddenly move the device straight up, it does give a quick flicker, which is always the same, where as in the Arduino setup the sudden move up is noted much more detailed, and there is a difference in brightness levels with upward moves of different intensity. I hope I8217m being clear Sounds like a software difference. This program gives real-time output, with no averaging or smoothing. Look at the algorithm used in the other one, if you want to replicate that behavior. quotArduinoquot is not really different from quotAVRquot 8212 the same code will run on this processor whether you give it a new brand name or not. hello im working with ADXL 330 TO MONITOR THE HUMAN ACTIVITY. PLEASE HELP BY GIVING IDEA ABOUT HARD WARE DETAILS peterece1987yahoo hello friends i have question, can i measure distance of one point to end point by ADXL330 if your answer yes. how can i do i integrate twice from accelaration please help me8230 i would this module in submarine to measure distance8230 I8217m looking into intigrating the adxl330 chip into my L3 university project. What I need to know is can the chip sense when it is being twistedspun around Ie, it is flat on a surface and twistedturned as if there was a pivot in the middle of the chip. I hope this explanation makes sense :) No. What you8217re looking for is called a quotrate gyroquot chip. part of my project involved using the accelerometer to connect to the PIC16f877 so that we can read the acceleratio for 3-axis (X, Y,and Z) from the PIC16f877 to pc. if You have the code to reading of the data I would be very happy if will be able to send me the code And also if you have the circuit of the connection pic to adxl330. This is most interesting. Do you know the resolution values for the various acc chips available. If one were to use 1 vs 10 vs 50 chips in an array, could you increase the resolution (accuracy) of the readings. I am interested in measuring gravity to a high degree, perhaps 10-8 of 1G, typical for gravity meters. The iPhone uses an ST LIS331DL chip: -2g but if I read the specs right, it only has 8 bits so that8217s 128 parts per 1g, not a great resolution. If I read that as bad, then it might take a truck load to get down to what I8217m looking for. Is there anything more accurate gtDo you know the resolution values for the various acc chips available. The sensors are analog. The bit resolutions that we discuss are internal to the microcontroller and are unrelated to the sensor outputs. Hii Thanks for a great articles on accelerometers for beginners. Well there is a problem that i want to discuss. Is it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. Actually i am working on a project in which a robot can note the reading of a point and save it in the micro-controller and then it can visit the point again when commanded. Any guidance regarding this will really help me. Thanks Unless you had some very strong gravity-generating material at the origin of this plot, this particular chip wouldn8217t be able to tell you where a point in space iswas. It can tell you which way in all three dimensions the chip is tilting, but it can8217t give you relative distances from an origin. Well, okay, I take that back. In the very first part of the article, it discusses that you can calculate velocity and then distance based on acceleration, but I wouldn8217t exactly call it quoteasyquot to do in a small robot, IMHO. So is there any way that we can get the coordinates of a point in space Although the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. Secondly i cant figure out the above C program for the AVR controller. I think i m a bit weak in C controller programming. so can you please just share us the step by step logic that8217s being used in the program, so that i can program it for PIC or 8051 in assembly. amp Thanks for your help quotSo is there any way that we can get the coordinates of a point in spacequot The short answer (again): No. quotAlthough the space will be limited like (-10 to 0 to 10). Or is there any other sensor or perhaps some logic of the algorithm that can be programmed into the controller. quot If you have a robot that is programmed to move to a specific place, and then move to another point based simply on coordinates, all you need to do is keep track of the coordinates of where you start, and then move to where you want to go. If you8217re at 0,0, and want to move to 2,0, you program the bot to move to 2,0, and then it stores the fact that it8217s at 2,0. To move to -5, -8, the bot would need to move -7 units X and -8 units Y. Repeat ad infinitum. You can8217t use an accelerometer to figure out where you are on that grid. You just keep track of it as you go along (at a basic level) Thanks for ur reply. i got it this time, Can you please simplify the above program made in C. I mean please just tell us the logic behind this program. Well i think is that the accelerometer gives a pulse every time its tilted in any direction. So the controller is programmed so that when ever the accelerometer readings go high they send a pulse to the led8217s. Am i right and how do u program it for the strong led blinking, so that when the accelerometer is tilted powerfully the led8217s too light-up strongly. I8217m not sure how to answer this. You say, quotIs it possible to note the reading of a point for instance (x6, y5 and z2) through an accelerometer. quot The accelerometer reads acceleration 8212 not quotpointsquot whatever those are. If you mean, quotcan an accelerometer measure where in space it isquot The answer is simply quotno. quot I was curious about this as well, as I am constructing a similar project. I see that you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, to represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. But I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can handle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could Any advice you could give on this would be greatly appreciated. gt8230you had labeled the microprocessor with three input pins and three output pins, gtto represent the X, Y, and Z planes of the one accelerometer. The X, Y, and Z labels are only on the accelerometer outputs, not on the microcontroller inputs. gtBut I also saw unlabeled pins. Are there more input pins and output pins that can gthandle more accelerometer chips If not, is there another microprocessor that could I8217m not sure why you8217d want output pins for this. There are six analog inputs on this particular AVR, so you can read out the complete output of two accelerometers. Other AVRs, and other microcontroller types as well, sometimes have more or fewer analog inputs. Would you happen to know of a particular model that has 15 (or more) inputs 8211 to handle 5 accelerometers Thanks again for your input. This has helped tremendously. You might look at the xmega chips some of them have up to 16 accelerometers. We recently wrote about them here.