Un acelerómetro es un sensor que convierte la información de aceleración en señales eléctricas. Por lo general, consta de un bloque de masa, un mecanismo de amortiguación, un cuerpo elástico, un elemento sensor y componentes de depuración.
Durante la aceleración del sensor y el objeto que se está midiendo, se mide la fuerza de inercia que actúa sobre el bloque de masa y el valor de la aceleración se calcula usando la fórmula a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (segundo de Newton ley).
Durante la aceleración del sensor y el objeto que se está midiendo, se mide la fuerza de inercia que actúa sobre el bloque de masa y el valor de la aceleración se calcula usando la fórmula a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (segundo de Newton ley).
Tipos (basados en elementos sensores)
- Acelerómetro piezoeléctrico
- Acelerómetro capacitivo
- Acelerómetro extensométrico
- Acelerómetro piezoresistivo
- Acelerómetro inductivo
- Acelerómetro servo
Acelerómetro piezoeléctrico
Acelerómetro piezoeléctrico (acelerómetro piezoeléctrico):
Principio: utiliza el efecto piezoeléctrico de la cerámica piezoeléctrica o los cristales de cuarzo. Cuando el acelerómetro se mueve, la fuerza aplicada al elemento piezoeléctrico por el bloqueo de masa cambia, lo que hace que la cerámica piezoeléctrica o el cristal de cuarzo se deforman y generen una señal eléctrica. La señal eléctrica es proporcional a la aceleración, lo que indica cambios en la aceleración. Nota: La frecuencia de vibración del objeto medido debe ser mucho menor que la frecuencia resonante del acelerómetro.
Ventajas : alta sensibilidad, alta relación señal / ruido, gran rango dinámico, amplio rango de frecuencia, estructura simple, instalación fácil, larga vida útil.
Desventajas : alta frecuencia resonante, susceptible a la interferencia sonora; Alta impedancia de salida, señal de salida débil, que requiere circuitos de amplificación para la detección.
Perfil de acelerómetro de IEPE de tipo cortante piezoeléctrico
Acelerómetro capacitivo de MEMS
Acelerómetro capacitivo (acelerómetro capacitivo variable):
Principio: Basado en el principio de capacitancia, donde cambia la distancia entre electrodos. Un electrodo es fijo, mientras que el otro es un diafragma flexible. Bajo fuerzas externas (por ejemplo, presión del aire, presión hidráulica), el diafragma se mueve, causando un cambio en la capacitancia. Este tipo de sensor puede medir la velocidad de vibración (aceleración) en el flujo de aire o líquido y también puede medir la presión.
Acelerómetro capacitivo variable MEMS:
Principio: El elemento sensible está compuesto por tres obleas de silicio monocristalinas unidas. Las obleas superior e inferior forman dos electrodos fijos, mientras que la oblea media, grabada químicamente para formar una membrana flexible que soporta una masa central rígida, actúa como el elemento sensible. El grosor de la membrana determina el rango del sensor. Pequeños agujeros están grabados en la membrana. A medida que la membrana se mueve con la masa, el aire fluye a través de los agujeros, proporcionando fuerza de amortiguación. El cambio en la capacitancia genera una variación actual que indica la aceleración.
Ventajas : buenas características de baja frecuencia, alta sensibilidad, excelente adaptabilidad ambiental, efecto de temperatura mínimo. Adecuado para medir las aceleraciones dinámicas y de estado estacionario, mediciones de baja G de baja frecuencia, y puede tolerar los amortiguadores de alto G.
Desventajas : relación de entrada-salida no lineal, alta impedancia de salida, mala capacidad de carga, significativamente afectada por la capacitancia del cable.
Aplicaciones : Pruebas de aceleración y desaceleración en ascensores, pruebas de aleteo en aviones, pruebas de lanzamiento y vuelo de naves espaciales, insustituibles en campos como bolsas de aire y dispositivos móviles.
Acelerómetro extensométrico
Acelerómetro extensométrico:
Principio: El bloque de masa se fija en un extremo de un haz en voladizo, con el otro extremo fijado a la base del sensor. Ambos lados del haz en voladizo están unidos con medidores de tensión, formando un puente de piedra de trigo. El circundante del bloque de masa y el voladizo se llena con líquido de amortiguación (por ejemplo, aceite de silicona) para generar la fuerza de amortiguación necesaria. El movimiento del objeto que se mide hace que el sensor se mueva, y la base transmite el movimiento al bloque de masa a través del haz en voladizo. La fuerza inercial deforma el voladizo, causando un cambio en la resistencia de los medidores de tensión. Bajo una excitación constante, el puente de piedra de trato genera una señal de salida de voltaje que es proporcional a la aceleración, lo que indica el valor de aceleración.
Ventajas : alta precisión, amplio rango de medición, estructura simple, buena respuesta de frecuencia, fácil miniaturización e integración.
Desventajas : gran no linealidad para cepas altas, señal de salida débil que requiere compensación; Una mayor precisión de medición conduce a una mayor fragilidad.
Acelerómetro piezoresistivo
MEMS acelerómetro piezoresistivo:
Principio: Basado en el efecto piezoresistivo de los materiales semiconductores (silicio monocristalino), los componentes centrales (bloqueo de masa, haz en voladizo y soporte) están grabados de una sola oblea de silicio de cristal y las resistencias se difunden en la base del haz en voladizo para formar Un puente de Wheatstone.
Ventajas : baja impedancia de salida, alto nivel de señal de salida, bajo ruido intrínseco, baja sensibilidad a la interferencia electromagnética y electrostática, fácil acondicionamiento de la señal; deriva mínima cero bajo aceleración de alto choque; Banda de frecuencia amplia.
Desventajas : baja sensibilidad, efectos de temperatura significativos.
Aplicaciones : integrado en varios circuitos analógicos y digitales, ampliamente utilizados en medición de vibraciones y choques, estudios de flutador, etc., como pruebas de choque automotriz, equipos de prueba y monitoreo de vibraciones.
Acelerómetro inductivo
Medición del acelerómetro inductivo:
Principio: Basado en la inducción electromagnética, el bloque de masa del sensor se mueve dentro de una bobina, cambiando la auto-inductancia o inductancia mutua de la bobina, que luego se convierte en un cambio de voltaje o corriente por el circuito de medición, lo que indica cambios en la aceleración.
Ventajas : estructura simple, operación confiable, alta precisión de medición, punto cero estable, potencia de salida relativamente alta.
Desventajas : la sensibilidad, la linealidad y el rango de medición son interdependientes; La resolución del sensor está relacionada con el rango de medición. Un gran rango de medición da como resultado una resolución más baja y viceversa; requiere alta estabilidad de frecuencia de excitación y amplitud; La respuesta de frecuencia del sensor es baja, lo que la hace inadecuada para mediciones dinámicas de alta velocidad.
Acelerómetro servo
Acelerómetro servo:
Principio: El sistema de vibración del sensor consiste en un sistema "MK", similar a un acelerómetro estándar, pero con una bobina electromagnética unida al bloque de masa. Cuando se aplica la entrada de aceleración a la base, el bloque de masa se desvía de la posición de equilibrio. Este desplazamiento es detectado por un sensor de desplazamiento, amplificado por un servo amplificador y se convierte en una salida de corriente. Esta corriente fluye a través de la bobina electromagnética en un campo magnético permanente, generando una fuerza de restauración que intenta llevar el bloque de masa a su posición de equilibrio original, que funciona en un estado de circuito cerrado.
Ventajas : un sistema de prueba de circuito cerrado con excelente rendimiento dinámico, gran rango dinámico y buena linealidad. La acción de retroalimentación mejora la resistencia a la interferencia, mejora la precisión de la medición y expande el rango de medición. La tecnología del servo acelerómetro se usa ampliamente en los sistemas de navegación y orientación de inercia, así como la medición y calibración de vibraciones de alta precisión.
Desventajas : alto costo.
Indicadores técnicos
Los indicadores operativos primarios de los sensores se dividen en respuesta efectiva y respuesta espuria .
Respuesta efectiva : la respuesta del sensor en la dirección del eje sensible debido a la vibración mecánica o la entrada de choque. Esta respuesta se desea para una medición de datos confiable.
Respuesta espuria : la respuesta del sensor causada por otros factores físicos presentes al tiempo que mide vibraciones mecánicas o choques. Esta respuesta interfiere con la medición correcta y no está deseado.
Respuesta efectiva Indicadores técnicos principales : sensibilidad, respuesta de frecuencia de amplitud y respuesta de frecuencia de fase; no linealidad.
Respuesta espuria Indicadores técnicos principales : respuesta de temperatura, sensibilidad transitoria de la temperatura, sensibilidad transversal, sensibilidad al movimiento rotacional, sensibilidad a la tensión base, sensibilidad magnética, sensibilidad al par de instalación y respuesta a entornos especiales.
Selección de sensores
El enfoque principal está en los siguientes indicadores:
- Tipo de sensor
- Rango
- Sensibilidad
- Ancho de banda de respuesta de frecuencia
- Peso
