מצגת סופית-חלק א: מערכת אקוסטית לניתוח תכונות פיזיות של חומרים

1. הטכניון - מכון טכנולוגי לישראלהפקולטה להנדסת חשמל המעבדה למערכות ספרתיות מהירות מצגת סופית-חלק א:מערכת אקוסטית לניתוח תכונות פיזיות של חומרים סמסטר א' תשס"בפרויקט א'+ב' מבצעים : סאלח סמארה פואד חדאד מנחה : ד"ר מיכאל גנדלסמן

2. תזכורת למטרת ומבנה הפרויקט : • מטרת הפרויקט • בניית מערכת לצורך ניתוח תכונות פיזיות של חומרים, בהסתמך על ניתוח הגלים האקוסטיים והרעידות המתפתחים עקב פגיעה של כדור קשיח בחומר הנבדק.

3. המוצר הסופי :

4. ממדים מכניים :

5. דיאגרמת בלוקים כוללת : חיישנים לקליטת האותות סינון האותות דגימה + הצגת קובץ פלט (ממשק גרפי) שלב I שלב II שלב III

6. שלב ראשון שלב זה מתייחס לחיישנים המשמשים לקליטת האותות, במילים אחרות בחירת אמצעי הקלט של אותות הכניסה לפני עיבודם.

7. רכיבים מיקרופון המיקרופון נדרש לקלוט רעש אקוסטי בתחום התדרים 200Hz – 15000Hz ועל כן בחרנו במיקרופון בעל הספיספיקציות הבאות : • Response…………………………………50-18000 Hz. • Sensitivity………………………………..-65dB ±3dB. • Dynamic Range………………………..0 dB - -65dB. • Power Supply……………………………DC 1.5 volt. • Impedance…………………………...…1 Kohms.

8. רכיבים משתמשים במגבר אחרי המיקרופון כי : • להגביר את האות על מנת להתאימו לכניסות המסננים. 2) מדובר במיקרופון קיבולי בעל התנגדות פנימית גדולה . • Frequency Response……………….150 – 15000 Hz • Power Supply………………………….AC or DC 12 volt. SIGNAL Amplifier 100mV ±5V GND

9. רכיבים מד תאוצה (Accelerometer) Vibration monitor • ספיספיקציות • מתח אספקה.................................. Volt5+ • צריכת זרם מקסימלית...................…20 mA • רוחב סרט.................................0.3-10000 Hz • רגישות (mV/g) ......................... ±100 • טווח הכניסות..................................... ±10(g)

10. רכיבים חיישנים אופטיים ה – Opto couplers מהווים כניסת Trigger למערכת.  במעבר הכדור דרך קרן האור תהיה ירידת מתח מ- 5v ל- 0v . • Power Supply………………………………+5 Volt • Supply Current……………………………. 20mA • החומרה שלנו ה DAQc דורשת רוחב פולס מינימלי של 10 nsec , מעבר הכדור בין שני החיישנים האופטיים נותן רוחב פולס גדול פי כמה סדרי גודל. • מצד שני דרישה זו יכולה לפגוע באמינות המערכת, לכן יש צורך בהצרת הפולס הנגרם מרעשים ע"י חיבור נגד-קבל בין מוצא החיישנים האופטיים לבין כניסת הכרטיס.

11. שלב שני שלב זה מקבל את האותות משלב הקודם ומסנן אותם מרעשים ומגביל את האותות לרוחב סרט שתוחם את התדרים הרצויים.

12. Filters Card בחרנו במסננים (LP Filter) מסוג MAX291 של חברת Maxim בעלי התכונות הבאות : • Clock Tunable Corner-Frequency…….. 0.1-25000 Hz. • External Clock. • Clock to Corner-Frequency Ratio………………..…100:1 • Power supply…………………………………….…. ± 5 Volts. • Supply Current (max)…………………………..……...22mA.

13. Filters Card • קביעת תדר הקטעון : תדר מקסימלי של אות המיקרופון הוא 12 kHz ו- 8kHz עבור האות המתקבל ממד התאוצה, לכן מכוונים את תדר הקיטעון להיות 15kHz.

14. Filters Card קביעת תדר הקטעון ב- MAX291 : אופן פעולת המסנן : תדר הדגימה שהוא בעצם תדר הקיטעון (דורשים 15KHz) נקבע לפי : Clock to Corner-Frequency Ratio External Clock frequency / 15 kHz = (Clock freq.)÷100  Clock frequency = 1.5 MHz התדר מסופק מכרטיס ה- DAQc ,כך שקיימת אפשרות לשינוי תדר הקיטעון באמצעות התוכנה לפי היחס שרשום לעיל.

15. הסימולציה הבאה מדגימה את אופן עבודת המסננים: Cut off frequency = Clock frequency/100 = 100k / 100 = 1k. בסימולציה סיפקנו למסנן באמצעות מחולל אותות שני אותות סינוסידיאלים אחד בתדר 740 Hz ושני בתדר 1.2 KHz ואמפליטודה 2.2 Volts . ובדקנו מ המתקבל במוצא המסננים .

17. Filters Card • יש לתת את הדעת ל : • מתח האספקה של המסננים הוא5 Volts ±. • מתח אספקת Filters Card ע"י כרטיס ה DAQc. • הDAQc מספק מתח של +5 Volts , ולכן השתמשנו • ברכיב DC to DC Converter .

18. Filters Card • בחירת ה DC to DC Con. התבצעה תוך לקיחה בחשבון את • יכולת הדחיפה שלו מול צריכת זרם של הרכבים בכרטיס. Current from DC to DC Con. 22mA 20mA 20mA 22mA 22mA 22mA L.P.F L.P.F L.P.F L.P.F Accelerometer Opto Coupler לכן בחרנו ברכיב NMH0505S (יצרן NEWPORT) בעל יכולת דחיפת זרם של 200mA . +5 volt DC-DC Converter +5 Volt GND 1W GND 1W -5 volt

19. R-CConnection Open collector output Opto-Couplers Connector

20. Microphone Connector Accelerometer Connector X-axis Y-axis Z-axis

21. CLk +5v -5v

22. Input Signal from software Output For Solenoid Solid State relay

23. שלב שלישי • שלב זה מטפל בסוגיות הבאות : • חומרה : • חיבור חשמלי בין כרטיס המסננים לבין ה- DAQc . • תוכנה : • 1) הפעלת כרטיס ה-DAQc , (Device Driver) • 2) מנשק גרפי למשתמש , (Graphical User Interface) הפעלת הכרטיס והמנשק הגרפי ממומשים בעזרת התוכנה LABVIEW .

24. I/O GND Name Pin I אות המיקרופון AIGND 67 ACH0 68 I ויברציות בכווןX AIGND 32 ACH1 33 I ויברציות בכווןY AIGND 64 ACH2 65 I ויברציות בכווןZ AIGND 29 ACH2 30 I הטריגר של החיישנים DGND 12 PFI0/TRIG1 11 O מתח אספקה DGND 9 +5V 8 O אות השעון GPCTR0_OUT 2 O פולס לסוליויד GPCTR1_OUT 40 חיבור חשמלי בין הכרטיסים • המוצא של כרטיס ה DAQc הוא Adapter cable של • 68 I/Opins שמתחבר לקופסת חיבורים שמתחברת • מצד שני לכרטיס המסננים. • רשימת הכניסות שנשתמש בהן :

25. סנכרון זמנים • שליטה חיצונית על תזמון של ההתקן מתבצעת דרך 10 הכניסות PFI<0…9> • כניסות אלה ניתנות לתכנון לפי הצורך . • אנו נשתמש בכניסה PFI0 שמשמת כ- Trigger לכרטיס. • יש לדאוג שהרוחב יהיה יותר מ – 10ns לפחות. במקרה שלנו רוחב הפולס שנוצר כתוצאה מנפילת הכדור הוא גדול בהרבה סדרי גודל מ- 10 nsec

27. הפעלת ה- DAQc דרך תוכנת LABVIEW • את ה- DAQc מתפעלים בעזרת תוכנת המחשב Version 6i LabView. • באמצעות ה –LabView מגדירים את אופן פעולת ה – DAQc : • * הגדרת D/A Inputs . • * קצב דגימה. • * סנכרון (Triggering) . • * אופן הצגת דגימות האותות (גרפי+מערך נתונים). • בנוסף ה LabView מאפשר ממשק גרפי וידידותי למשתמש.

28. הפעלת ה- DAQc דרך תוכנת LABVIEW • המימוש ב- LabView : • ממשנו Virtual Instrument שאוספת נתונים מערוץ כניסה אנלוגי אחד או יותר ברגע שחל Trigger בכניסה דיגיטלית. • תהליך איסוף הנתונים מופסק ברגע שמספר הנקודות שנדגמו משתווה ל-Numberof scans to acquire שנקבע על ידי מבצע הניסוי. • תהליך הדגימה הוא Buffered acquisition , זאת אומרת שהמידע נשמר בשלב ביניים בתוך חוצץ בזיכרון אחרי שנדגם על ידי כרטיס ה –DAQ ,והמידע נקרא מהחוצץ לפי הערך הרשום בשדה Number of Scans to read ומוצג כגרף על הצג ונכתב לתוך קובץ.

30. GENERATE THE CLOCK

31. GENERATE A PULSE

32. THE SAMPELING DIAGRAM

38. ה- Trigger יתקבל בכניסה PFI0/TRIG

39. OK THERE IS NO TRIGGER CODE = 10800 WAIT

41. לוח זמנים • השלמת המערכת + שילוב עם המתקן. • בדיקת אמינות המערכת. • ביצוע סינכרון זמנים לקבלת רוחב פולס שיתאים לנפילה של כדור אחד • בלבד