|
|
|
|
NERO  Research Gyroscopen |
 |
Karakterisatie Murata solid-state gyroscoop |
|
|
|
|
|
Sinds het begin van de jaren negentig wordt door de firma
Murata een low-budget solid-state gyroscoop op de markt gebracht, bedoeld voor onder meer detectie van beweging
in videocamera's. Door hun zeer kleine afmetingen zouden deze gyroscopen ideaal zijn om te worden toegepast in
amateur raketten. Helaas vormde prijs (orde grootte duizend gulden) nog een belemmering om deze sensors toe te
passen in NERO raketten. De prijs is de afgelopen jaren geleidelijk gedaald maar de afgelopen paar maanden was de
prijsval dramatisch. Dit maakt het gebruik van deze gyroscoop voor de amateurraketbouw toegankelijk.
|
|
|
|
|
1. |
Inleiding [Top] [Inhoud] |
|
|
|
Een belangrijk probleem met de Murata gyroscopen is dat de datasheet van de fabrikant
bijzonder weinig informatie over het gedrag van de gyroscoop geeft, althans in vergelijking met wat men gewend is bij
bijvoorbeeld een accelerometer ADXL-50 van Analog Devices. Navraag bij de fabrikant (via de importeur) levert ook niet
veel op. De kleine aantallen die amateurs afnemen zijn blijkbaar commercieel niet interessant. Voor toepassing in
amateur raketten is uiteraard van belang welke trillingsniveaus de sensor kan weerstaan zonder verstoord of beschadigd
te worden. De datasheet stelt slechts dat een sinus trillingsniveau van 1 G (10-1000 Hz) kan worden weerstaan en dat de
sensor shockproof is (halve sinus) tot 100 G. Als dat werkelijk de grenzen zijn waarbinnen de sensor zou functioneren
dan is hij niet te gebruiken in een raket, om de eenvoudige reden dat binnen een typische amateur raket tijdens de
aangedreven fase sinus trillingsniveaus van 5 tot 10 G rms (tot 1 kHz) kunnen optreden. Een andere eigenschap die niet
gespecificeerd is, is de dwarsgevoeligheid van de sensor, d.w.z. de gevoeligheid voor rotatie om assen loodrecht op de
input-as.
Om te kunnen beoordelen of de sensor uberhaupt te gebruiken is voor gebruik in NERO
raketten heb ik een proefopstelling gebouwd aan de hand waarvan de gevoeligheid voor trillingen is onderzocht. De
(voorlopige) resultaten van dit onderzoek worden op deze pagina gegeven. |
|
|
  |
Volg deze link voor meer informatie over de Murata gyroscopen. |
 |
Lees over het gebruik van Murata gyroscopen in onze raketten. |
|
|
|
De belangrijkste specificaties van de Murata ENC-05EA zijn:
| Categorie |
Onderwerp |
Specificatie |
| Voeding |
Spanning |
5 V |
| Stroomverbruik |
max. 5 mA |
| Output |
Volle schaal bereik |
+/- 90 graden/sec |
| Gevoeligheid |
1,11 mV per graad/sec (+/- 20%) |
| Bias |
2,3 V |
| Lineariteit |
Lineariteit |
5 % max |
| Temperatuur |
Operationeel bereik |
-5 tot 75 graden Celcius |
| Drift bij bovenstaande |
+10% tot -20% van de volle schaal |
| Fysieke gegevens |
Massa |
2,7 gram |
| Afmetingen |
22 x 9 x 8 mm3 |
|
|
|
|
2. |
Proefopstelling [Top] [Inhoud] |
|
|
|
De proefopstelling bestaat uit een zware basluidspreker die is omgebouwd tot een shaker
voor kleine massa's. In de conus is een platform gebouwd met hierop een miniatuurprintje met Analog Devices
accelerometer en een proefprintje met hierop de Murata sensor. De Murata sensor is voorzien van een door de fabrikant
gesuggereerde conditioning versterker met een bandbreedte van ongeveer een kHz. Met de conditioning versterker is het
uitgangssignaal van de gyroscoop 11,5 mV per graad/sec. De trillings-as was loodrecht geplaatst op de input-as van de
gyroscoop. Tijdens de trillingsproeven werd geen rotatie aangeboden, de hoeksnelheid om de input-as was dus nul.
Er zijn met deze opstelling twee proeven uitgevoerd: (1) Een resonantiescan tussen 20
Hz en 650 Hz bij een constant sinus trillingsniveau van 2,5 G amplitude. De bedoeling hiervan is te onderzoeken voor
welke frequenties de sensor gevoelig is. Anders zou schade kunnen optreden bij het toepassen van hogere g-niveaus op
die frequenties. (2) Een lineariteitsmeting bij de belangrijkste resonantiefrequentie. De bedoeling hiervan is te
onderzoeken tot welk trillingsniveau de sensor te belasten is bij een frequentie waarvoor de sensor al relatief
gevoelig is. |
|
|
| 3. |
Resultaten [Top] [Inhoud] |
|
|
|
Het blijkt dat de gyroscoop zich gedraagt als een soort microfoon. Sinusvormige
mechanische trillingen vertalen zich in een sinusvormige verstoring gesuperponeerd op het uitgangssignaal. Het
resultaat van de resonantiescan is te zien in figuur 1. |
|
 |
|
Figuur 1 - Resonatie scan van de ENC05EA |
|
De belangrijkste resonantiefrequentie in het bereik tot 1 kHz ligt op 109 Hz. Bij deze
frequentie treedt een opslingering met een factor 3 tot 4 op. De amplitude van de verstoring varieert tussen 0,06 en
0,26 graden/sec, dat is minder dan een promille van het volle schaal signaal van de gyroscoop. Het resultaat van de
lineariteitsmeting bij 109 Hz is te zien in figuur 2. |
|
 |
|
Figuur 2- Liniairiteit resonatie piek van de ENC05EA |
|
De verstoring is praktisch recht evenredig met het aangeboden trillingsniveau en is
reproduceerbaar. Tot een sinus trillingsniveau van 29 G amplitude blijft de sensor functioneren. Dit was bij deze
frequentie tevens de limiet van de proefopstelling. De verstoring bedraagt bij dit niveau nog slechts 2 graden/sec. De
duur van de lineariteitstest was in totaal ongeveer 5 minuten. De functionaliteit van de sensor is beoordeeld d.m.v.
een eenvoudige rotatie test: de sensor werd met de hand om de input-as gedraaid en de orde-grootte van het signaal
vastgesteld. Er was, op deze wijze 'gemeten', geen verschil tussen het gedrag van de sensor voor en na de
trillingsproeven. Het is natuurlijk mogelijk dat de trillingen een subtiele schade toebrengen aan de sensor, maar deze
kan alleen worden bepaald met een nauwkeurige rotatie- of slinger opstelling die (nog) niet voorhanden is. |
|
|
|
4. |
Conclusie [Top] [Inhoud] |
|
|
|
De Murata ENC-05EA is bestand tegen sinusvormige trillingsniveaus tot ten minste 29 G
amplitude gedurende ten minste 30 seconden, toegepast bij de resonantiefrequentie van 109 Hz. Er zijn verder geen
andere resonantiefrequenties gevonden. De grootte van de verstoring in het uitgangssignaal is evenredig met de
aangebrachte amplitude van de sinusvormige verstoring en bedraagt maximaal 0.07 graden/sec per G. Indien de
trillingniveaus in de raket (ter plekke van de sensor) bekend zijn kan de verstoring van het uitgangssignaal worden
bepaald. Om deze reden, en omdat de gevoeligheid voor verstoringen erg gering is, kan de ENC-05EA uitstekend worden
toegepast in amateur raketten.
Het is de bedoeling de proefnemingen voort te zetten met het aanbieden van een
ruisvormig- en een shockspectrum, en met metingen van de temperatuurdrift en dwarsgevoeligheid in een
calibratieopstelling. |
|
|
|
|
|
