Konstrukcja i testy piezoelektrycznego systemu zadawania siły. Kierownik projektu (stopień/tytuł, imię, nazwisko, e-mail): Imię i nazwisko: dr inż. Dariusz Jarząbek e-mail: djarz@ippt.pan.pl Sprawozdanie merytoryczne z realizacji zadań objętych umową nr 221/D/1654/2016 Część 2: Wykonanie systemu zadawania przemieszczenia
Zakres/treść umowy: Wykonanie i oprogramowanie piezoelektrycznego zadawania siły Osoba sporządzająca raport (stopień/tytuł, imię i nazwisko, e-mail): Imię i nazwisko: inż. Cezary Dziekoński e-mail: cezarydziekonski@gmail.com CEL I ZAKRES PRACY Celem pracy określonej w umowie było wykonanie i oprogramowanie piezoelektrycznego systemu zadawania siły. W miesiącu listopadzie wykonano część drugą umowy której celem było wykonanie systemu zadawania przemieszczenia i siły. Układ ten służy do precyzyjnego zadawania przemieszczenia poprzez aktuator piezoelektryczny. Ponadto układ może pracować w konfiguracji gdzie w pętli sprzężenia zwrotnego podany jest sygnał z precyzyjnego siłomierza MEMS co pozwala aby układ pracował jako precyzyjny zadajnik siły wraz z pomiarem przemieszczenia. Poniżej przedstawiono sprawozdanie z wykonania tego etapu. REALIZACJA Część 2: Wykonanie systemu zadawania przemieszczenia 2.1 Zbadanie liniowości zakupionego aktuatora piezoelektrycznego Celem badań było zbadanie liniowości ceramicznego piezostosu zakupionego w firmie PiezoDrive. Zbadano zależność wydłużenia piezostosu od zadanego napięcia sterującego, wpływ obciążenia na tę charakterystykę oraz jej powtarzalność. Sprawdzono również stałość wydłużenia elementu w czasie (dalej nazywane płynięciem ). a) Układ pomiarowy
Rysunek 1. Schemat układu pomiarowego do badania liniowości pizostosów Układ pomiarowy składał się z piezostosu (1) umieszczonego na twardej powierzchni oraz obciążonego walcowym odważnikiem laboratoryjnym (2). Nad odważnikiem, umieszczony w uchwycie statywu laboratoryjnego (3), znajdował się czujnik pojemnościowy (4) mierzący wydłużenie piezoelementu. Piezoelement zasilany był poprzez wzmacniacz (5) PiezoDrive MX200 z regulowanego zasilacza laboratoryjnego (6) Keithley 2230-30-1. Wskazanie czujnika odczytywane było multimetrem (7) Keithley 2110. b) Przebieg badań b.1. Zestawienie układu b.2. Obciążenie piezo stosu najmniejszym odważnikiem (10 g) b.3. Zadanie napięcia na piezoelement b.4. Odczytanie wskazania czujnika natychmiast po ustaleniu się wskazania b.5. Odczekanie około 30 s b.6. Ponowne odczytanie wskazania czujnika odległości b.7. Powtórzenie kroków 3.3 3.6 dla rosnących wartości napięć b.8. Powtórzenie pomiarów dla malejących wartości napięć b.9. Powtórzenie pomiarów dla kolejnych odważników (50, 100, 200 g) b.10. Całą procedurę przeprowadzono drugi raz, następnego dnia c) Wyniki Wyniki przeanalizowano i przedstawiono w formie wykresów przedstawiających pętle histerezy dla poszczególnych obciążeń, szerokość pętli histerezy, zmianę wysokości w czasie całego badania oraz wykres płynięcia w czasie całego badania.
Wykres 1. Powyżej przedstawiono wykresy z pomiarów liniowości kupionego piezostosu. d) Wnioski Przeprowadzone pomiary nie pokazują żadnej powtarzalnej charakterystyki piezoelementu. Przy każdym pomiarze charakterystyka ma inny kształt. Pomiary wykonywane w różnych dniach dają znacznie różniące się wyniki nawet dla takich samych obciążeń. Również w płynięciu piezo stosu nie widać żadnej wyraźnej zależności. Dla drugiej serii pomiarowej można zauważyć, że kierunek płynięcia jest dodatni dla rosnącego napięcia, oraz ujemny dla malejącego napięcia, jednak nie widać tej zależności dla pierwszej serii. Ze względu na powyższe wnioski, piezostos podłączono w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego pozwalającej na precyzyjne zadawanie przemieszczenia, bez wpływu płynięcia i nieliniowości piezostosu.
2.2 Zaprojektowanie i wykonanie systemu zadawania przemieszczenia Układ do zadawania przemieszczenia zaprojektowano w programie Inventor a następnie zlecono wykonanie części w Centrum usług laboratoryjnych. Schemat 1. Schemat urządzenia do zadawania przemieszczenia i siły Po otrzymaniu części układ złożono i wstępnie przetestowano. W trakcie pomiarów znacząco zauważalny był wpływ drgań mechanicznych na sygnał z siłomierza. Postanowiono zatem, o zawieszeniu urządzenia na elastycznych linach co pozwoliło na wyeliminowanie drgań w znaczącym stopniu. Poniżej przedstawiono zdjęcia złożonego urządzenia. Kolejny etap umowy zakłada wykonanie oprogramowania w środowisku labview do sterowania i sczytywania danych z urządzenia, co zostanie wykonane w następnym miesiącu.
Zdjęcie1. Zdjęcia wykonanego urządzenia. Zdjęcia 2. Zdjęcie urządzenia i wykonanej elektroniki pomiarowo-sterującej.