Акселерометр — это датчик, который преобразует информацию об ускорении в электрические сигналы. Обычно он состоит из материального блока, демпфирующего механизма, упругого корпуса, чувствительного элемента и отладочных компонентов.
Принцип
При ускорении датчика и измеряемого объекта измеряется сила инерции, действующая на массовый блок, и значение ускорения рассчитывается по формуле a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (секунда Ньютона закон).
Типы (на основе чувствительных элементов)
- Пьезоэлектрический акселерометр
- Емкостный акселерометр
- Акселерометр деформации
- Пьезорезистивный акселерометр
- Индуктивный акселерометр
- Серво -акселерометр
Пьезоэлектрический акселерометр
Пьезоэлектрический акселерометр (пьезоэлектрический акселерометр):
Принцип: использует пьезоэлектрический эффект пьезоэлектрической керамики или кварцевых кристаллов. Когда акселерометр перемещается, сила, приложенная к пьезоэлектрическому элементу с помощью массового блока, изменяется, вызывая пьезоэлектрический керамический или кварцевый кристалл для деформации и генерации электрического сигнала. Электрический сигнал пропорционален ускорению, что указывает на изменения ускорения. Примечание. Частота вибрации измеренного объекта должна быть намного ниже резонансной частоты акселерометра.
Преимущества : высокая чувствительность, высокое отношение сигнал / шум, большой динамический диапазон, широкий диапазон частот, простая структура, легкая установка, длительный срок службы.
Недостатки : высокая резонансная частота, восприимчивая к звукому вмешательству; Высокий выходной импеданс, слабый выходной сигнал, требующие усиления цепей для обнаружения.
Пьезоэлектрический профиль акселерометра IEPE типа сдвига
Емкостный акселерометр MEMS
Емкостный акселерометр (переменный емкостный акселерометр):
Принцип: на основе принципа емкости, где изменяется расстояние между электродами. Один электрод фиксирован, а другой - гибкая диафрагма. При внешних силах (например, давление воздуха, гидравлическое давление) диафрагма движется, вызывая изменение емкости. Этот тип датчика может измерять скорость вибрации (ускорение) в потоке воздуха или жидкости, а также может измерять давление.
Емкостный акселерометр MEMS:
Принцип: Чувствительный элемент состоит из трех монокристаллических силиконовых пластин, соединенных вместе. Верхние и нижние пластины образуют два фиксированных электрода, в то время как средняя пластина, химически запечатленная, образуя гибкую мембрану, поддерживающую жесткую центральную массу, действует как чувствительный элемент. Толщина мембраны определяет диапазон датчика. Небольшие отверстия в мембране. Когда мембрана движется с массой, воздух протекает через отверстия, обеспечивая демпфирующую силу. Изменение емкости генерирует изменение тока, которое указывает на ускорение.
Преимущества : хорошие низкочастотные характеристики, высокая чувствительность, превосходная адаптируемость окружающей среды, минимальный температурный эффект. Подходит для измерения как динамических, так и устойчивых ускорений, низкочастотных измерений с низким уровнем G и может переносить удары с высоким уровнем G.
Недостатки : нелинейная взаимосвязь ввода-вывода, высокий выходной импеданс, плохая грузоподъемность, значительно затронутая кабельной емкостью.
Приложения : тестирование на ускорение и замедление в лифтах, тестирование трепетания на самолетах, запуск и летные испытания космического корабля, незаменимые в таких областях, как подушки безопасности и мобильные устройства.
Акселерометр деформации
Акселерометр деформации:
Принцип: блок массы фиксируется на одном конце консольного луча, а другой конец прикреплен к основанию датчика. Обе стороны консольного луча прикрепляются с джайн -датчиками, образуя мост Wheatstone. Окружение массового блока и кантилевера заполнено демпфирующей жидкостью (например, силиконовое масло), чтобы генерировать необходимую силу демпфирования. Движение измеряемого объекта приводит к перемещению датчика, а основание передает движение в блок массы через консольный луч. Инерционная сила деформирует кантилевер, вызывая изменение сопротивления деформационных датчиков. При постоянном возбуждении мост Wheatstone генерирует выходной сигнал напряжения, который пропорционален ускорению, что указывает на значение ускорения.
Преимущества : высокая точность, широкий диапазон измерений, простая структура, хорошая частотная реакция, легкая миниатюризация и интеграция.
Недостатки : большая нелинейность для высоких штаммов, слабый выходной сигнал, требующий компенсации; Более высокая точность измерения приводит к повышению хрупкости.
Пьезорезистивный акселерометр
Мемс пьезорезистивный акселерометр:
Принцип: на основе пьезорезистивного эффекта полупроводниковых материалов (монокристаллический кремний), компоненты ядра (массовый блок, консольный луч и кронштейн) выгравируются из монокристаллической силиконовой пластины, а резисторы дифференцируются в основании катлевого луча, чтобы сформировать образу Мост Уигстоун.
Преимущества : низкий выходной импеданс, высокий уровень выходного сигнала, низкий внутренний шум, низкая чувствительность к электромагнитным и электростатическим помехам, легкое кондиционирование сигнала; Минимальный нулевой дрейф при ускорении высокого шока; широкая частотная полоса.
Недостатки : низкая чувствительность, значительные температурные эффекты.
Приложения : интегрированы в различные аналоговые и цифровые схемы, широко используемые в измерении вибрации и шока, исследованиях трепетания и т. Д., Такие, как автомобильные аварийные испытания, тестовое оборудование и мониторинг вибрации.
Индуктивный акселерометр
Измерение индуктивного акселерометра:
Принцип: на основе электромагнитной индукции, массовый блок датчика перемещается в катушке, изменяя самостоятельную индикацию или взаимную индуктивность катушки, которая затем преобразуется в изменение напряжения или тока с помощью схемы измерения, что указывает на изменения ускорения.
Преимущества : простая структура, надежная работа, высокая точность измерения, стабильная нулевая точка, относительно высокая выходная мощность.
Недостатки : чувствительность, линейность и диапазон измерений взаимозависимы; Разрешение датчика связано с диапазоном измерений. Большой диапазон измерений приводит к более низкому разрешению и наоборот; требует высокой стабильности частоты возбуждения и амплитуды; Собственная частотная характеристика датчика низкая, что делает его непригодным для высокоскоростных динамических измерений.
Серво -акселерометр
Серво -акселерометр:
Принцип: Система вибрации датчика состоит из системы «MK», аналогичной стандартному акселерометру, но с электромагнитной катушкой, прикрепленной к блоке массы. Когда ввод ускорения применяется к основанию, массовый блок отклоняется от равновесного положения. Это смещение обнаруживается датчиком смещения, усиливается сервоприводом и преобразуется в выход тока. Этот ток протекает через электромагнитную катушку в постоянном магнитном поле, генерируя восстанавливающую силу, которая пытается вернуть блок массы в свое исходное равновесное положение, работающее в состоянии замкнутого конюса.
Преимущества : система тестирования с закрытым контуром с превосходной динамической производительностью, большим динамическим диапазоном и хорошей линейностью. Действие обратной связи повышает сопротивление помехи, повышает точность измерения и расширяет диапазон измерений. Технология серво-акселерометра широко используется в системах инерционной навигации и навигации, а также высокого измерения вибрации и калибровки высокого разрешения.
Недостатки : высокая стоимость.
Технические индикаторы
Основные рабочие индикаторы датчиков делятся на эффективный ответ и ложный ответ .
Эффективный отклик : отклик датчика в направлении чувствительной оси из -за механической вибрации или ввода шока. Этот ответ желателен для надежного измерения данных.
Подводной ответ : ответ датчика, вызванный другими физическими факторами, присутствующими при измерении механических вибраций или шоков. Этот ответ мешает правильным измерениям и нежелательно.
Эффективный ответ Основные технические индикаторы : чувствительность, амплитудная реакция и фазовая реакция; нелинейность.
Сумасшедший отклик Основные технические индикаторы : температурная реакция, чувствительность к переходной температуре, поперечная чувствительность, чувствительность к вращению движения, чувствительность к базовым деформациям, магнитная чувствительность, чувствительность крутящего момента и реакция на специальные среды.
Выбор датчика
Основное внимание уделяется следующим показателям:
- Тип датчика
- Диапазон
- Чувствительность
- Пропускная способность частотной реакции
- Масса
