Акселерометр датчик , преобразующий информацию об ускорении в электрические сигналы. Обычно он состоит из блока масс, демпфирующего механизма, упругого тела, чувствительного элемента и отладочных компонентов.
Принцип
В процессе ускорения датчика и измеряемого объекта измеряется инерционная сила, действующая на блок массы, а значение ускорения рассчитывается по формуле a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (второй закон Ньютона).
Типы (в зависимости от чувствительных элементов)
- Пьезоэлектрический акселерометр
- Емкостной акселерометр
- Тензодатчик Акселерометр
- Пьезорезистивный акселерометр
- Индуктивный акселерометр
- Сервоакселерометр
Пьезоэлектрический акселерометр
Пьезоэлектрический акселерометр (Piezoelectric Accelerometer):
Принцип действия: Используется пьезоэлектрический эффект пьезокерамики или кварцевых кристаллов. При движении акселерометра сила, приложенная к пьезоэлектрическому элементу со стороны грузового блока, изменяется, вызывая деформацию пьезокерамики или кварцевого кристалла и генерацию электрического сигнала. Электрический сигнал пропорционален ускорению, указывая на изменение ускорения. Примечание: Частота колебаний измеряемого объекта должна быть значительно ниже резонансной частоты акселерометра.
Преимущества : высокая чувствительность, высокое отношение сигнал/шум, большой динамический диапазон, широкий частотный диапазон, простая конструкция, простота установки, длительный срок службы.
Недостатки : высокая резонансная частота, подверженность звуковым помехам; высокое выходное сопротивление, слабый выходной сигнал, требующий усилительных цепей для обнаружения.
Профиль пьезоэлектрического акселерометра сдвигового типа IEPE
Емкостной акселерометр MEMS
Емкостной акселерометр (акселерометр с переменной емностью):
Принцип работы: Основан на принципе емкости, где расстояние между электродами изменяется. Один электрод неподвижен, а другой представляет собой гибкую диафрагму. Под воздействием внешних сил (например, давления воздуха, гидравлического давления) диафрагма перемещается, вызывая изменение емкости. Этот тип датчика может измерять скорость вибрации (ускорение) в потоке воздуха или жидкости, а также давление.
MEMS-акселерометр с переменной емкостью:
Принцип работы: чувствительный элемент состоит из трех монокристаллических кремниевых пластин, соединенных между собой. Верхняя и нижняя пластины образуют два неподвижных электрода, а средняя пластина, подвергнутая химическому травлению для образования гибкой мембраны, поддерживающей жесткую центральную массу, действует как чувствительный элемент. Толщина мембраны определяет диапазон действия датчика. В мембране вытравлены небольшие отверстия. По мере движения мембраны вместе с массой через отверстия проходит воздух, обеспечивая демпфирующую силу. Изменение емкости генерирует изменение тока, которое указывает на ускорение.
Преимущества : Хорошие низкочастотные характеристики, высокая чувствительность, отличная адаптивность к окружающей среде, минимальное влияние температуры. Подходит для измерения как динамических, так и стационарных ускорений, низкочастотных измерений при низких перегрузках, а также выдерживает удары при высоких перегрузках.
Недостатки : нелинейная зависимость вход-выход, высокое выходное сопротивление, низкая нагрузочная способность, значительное влияние емкости кабеля.
Области применения : испытания на ускорение и замедление в лифтах, испытания на флаттер в самолетах, испытания при запуске и в полете космических аппаратов; незаменим в таких областях, как подушки безопасности и мобильные устройства.
Тензодатчик Акселерометр
Тензодатчик Акселерометр:
Принцип работы: Массивный блок закреплен на одном конце консольной балки, а другой конец — на основании датчика. К обеим сторонам консольной балки прикреплены тензодатчики, образуя мост Уитстона. Окружение массивного блока и консоли заполнено демпфирующей жидкостью (например, силиконовым маслом) для создания необходимой силы демпфирования. Движение измеряемого объекта приводит к перемещению датчика, а основание передает движение массивному блоку через консольную балку. Сила инерции деформирует консоль, вызывая изменение сопротивления тензодатчиков. При постоянном возбуждении мост Уитстона генерирует выходной сигнал напряжения, пропорциональный ускорению, указывающий значение ускорения.
Преимущества : высокая точность, широкий диапазон измерений, простая конструкция, хорошая частотная характеристика, простота миниатюризации и интеграции.
Недостатки : Большая нелинейность при высоких деформациях, слабый выходной сигнал, требующий компенсации; более высокая точность измерений приводит к повышенной хрупкости.
Пьезорезистивный акселерометр
Пьезорезистивный акселерометр MEMS:
Принцип действия: на основе пьезорезистивного эффекта полупроводниковых материалов (монокристаллического кремния) основные компоненты (массовый блок, консольная балка и кронштейн) вытравливаются из монокристаллической кремниевой пластины, а резисторы диффундируют к основанию консольной балки, образуя мост Уитстона.
Преимущества : низкое выходное сопротивление, высокий уровень выходного сигнала, низкий уровень собственного шума, низкая чувствительность к электромагнитным и электростатическим помехам, простота обработки сигнала; минимальный дрейф нуля при высоком ускорении ударной волны; широкий частотный диапазон.
Недостатки : низкая чувствительность, значительное влияние температуры.
Области применения : Интегрируется в различные аналоговые и цифровые схемы, широко используется для измерения вибрации и ударов, исследований флаттера и т. д., например, в автомобильных краш-тестах, испытательном оборудовании и мониторинге вибрации.
Индуктивный акселерометр
Индуктивное акселерометрическое измерение:
Принцип действия: на основе электромагнитной индукции, массовый блок датчика перемещается внутри катушки, изменяя собственную или взаимную индуктивность катушки, которая затем преобразуется измерительной схемой в изменение напряжения или тока, указывающее на изменение ускорения.
Преимущества : Простая конструкция, надежная работа, высокая точность измерений, стабильная нулевая точка, относительно высокая выходная мощность.
Недостатки : Чувствительность, линейность и диапазон измерений взаимозависимы; разрешение датчика зависит от диапазона измерений. Большой диапазон измерений приводит к снижению разрешения, и наоборот; требуется высокая стабильность частоты и амплитуды возбуждения; собственная частотная характеристика датчика низкая, что делает его непригодным для высокоскоростных динамических измерений.
Сервоакселерометр
Сервоакселерометр:
Принцип работы: Вибрационная система датчика состоит из системы «mk», аналогичной стандартному акселерометру, но с электромагнитной катушкой, прикрепленной к блоку массы. При подаче ускорения на основание блок массы отклоняется от положения равновесия. Это смещение регистрируется датчиком перемещения, усиливается сервоусилителем и преобразуется в выходной ток. Этот ток протекает через электромагнитную катушку в постоянном магнитном поле, создавая восстанавливающую силу, которая пытается вернуть блок массы в исходное положение равновесия, работая в замкнутом контуре.
Преимущества : Система тестирования с замкнутым контуром управления, обладающая превосходными динамическими характеристиками, большим динамическим диапазоном и хорошей линейностью. Обратная связь повышает устойчивость к помехам, улучшает точность измерений и расширяет диапазон измерений. Технология сервоакселерометров широко используется в инерциальных навигационных и системах наведения, а также для высокоточного измерения и калибровки вибраций.
Недостатки : высокая стоимость.
Технические индикаторы
Основные рабочие показатели датчиков делятся на эффективную реакцию и побочную реакцию .
Эффективность отклика : отклик датчика в направлении чувствительной оси в ответ на механическую вибрацию или удар. Такой отклик желателен для надежного измерения данных.
Ложный отклик : отклик датчика, вызванный другими физическими факторами, присутствующими при измерении механических вибраций или ударов. Этот отклик мешает правильному измерению и является нежелательным.
Основные технические показатели эффективности : чувствительность, амплитудно-частотная характеристика и фазочастотная характеристика; нелинейность.
Основные технические показатели, характеризующие побочные эффекты : температурная чувствительность, переходная температурная чувствительность, поперечная чувствительность, чувствительность к вращательному движению, чувствительность к деформации основания, магнитная чувствительность, чувствительность к моменту затяжки при монтаже и реакция на особые условия окружающей среды.
Выбор датчика
Основное внимание уделяется следующим показателям:
- Тип датчика
- Диапазон
- Чувствительность
- Полоса частотной характеристики
- Масса
