İvmeölçer , ivme bilgisini elektrik sinyallerine dönüştüren bir sensördür. Tipik olarak bir kütle bloğu, sönümleme mekanizması, elastik gövde, algılama elemanı ve hata ayıklama bileşenlerinden oluşur.
Prensip
Sensörün ve ölçülen cismin ivmelenmesi sırasında, kütle bloğuna etki eden atalet kuvveti ölçülür ve ivme değeri a=FMa = \frac{F}{M}a=MF formülü kullanılarak hesaplanır (Newton'un ikinci yasası).
Türler (Algılama Elemanlarına Göre)
- Piezoelektrik İvmeölçer
- Kapasitif İvmeölçer
- Gerilim Ölçer İvmeölçer
- Piezorezistif İvmeölçer
- Endüktif İvmeölçer
- Servo İvmeölçer
Piezoelektrik İvmeölçer
Piezoelektrik İvmeölçer (Piezoelectric Accelerometer):
Prensip: Piezoelektrik seramiklerin veya kuvars kristallerinin piezoelektrik etkisinden yararlanır. İvmeölçer hareket ettiğinde, kütle bloğu tarafından piezoelektrik elemana uygulanan kuvvet değişir; bu da piezoelektrik seramiğin veya kuvars kristalinin deforme olmasına ve elektriksel bir sinyal üretmesine neden olur. Elektriksel sinyal ivmeyle orantılıdır ve ivmedeki değişiklikleri gösterir. Not: Ölçülen cismin titreşim frekansı, ivmeölçerin rezonans frekansından çok daha düşük olmalıdır.
Avantajları : Yüksek hassasiyet, yüksek sinyal-gürültü oranı, geniş dinamik aralık, geniş frekans aralığı, basit yapı, kolay kurulum, uzun ömür.
Dezavantajları : Yüksek rezonans frekansı, ses girişimine karşı hassasiyet; yüksek çıkış empedansı, zayıf çıkış sinyali, algılama için yükseltme devrelerine ihtiyaç duyma.
Piezoelektrik Kesme Tipi IEPE İvmeölçer Profili
MEMS Kapasitif İvmeölçer
Kapasitif İvmeölçer (Değişken Kapasitif İvmeölçer):
Prensip: Elektrotlar arasındaki mesafenin değiştiği kapasitans prensibine dayanır. Bir elektrot sabittir, diğeri ise esnek bir diyaframdır. Dış kuvvetler (örneğin, hava basıncı, hidrolik basınç) altında diyafram hareket eder ve bu da kapasitansta bir değişikliğe neden olur. Bu tip sensör, hava veya sıvı akışındaki titreşim hızını (ivmeyi) ve ayrıca basıncı ölçebilir.
MEMS Değişken Kapasitif İvmeölçer:
Prensip: Hassas eleman, birbirine yapıştırılmış üç adet tek kristalli silikon levhadan oluşur. Üst ve alt levhalar iki sabit elektrot oluştururken, ortadaki levha, sert bir merkezi kütleyi destekleyen esnek bir zar oluşturmak üzere kimyasal olarak aşındırılarak hassas eleman görevi görür. Zarın kalınlığı sensörün menzilini belirler. Zarda küçük delikler açılmıştır. Zar kütleyle birlikte hareket ettikçe, deliklerden hava akar ve sönümleme kuvveti sağlar. Kapasitanstaki değişim, ivmeyi gösteren bir akım değişimi oluşturur.
Avantajları : İyi düşük frekans özellikleri, yüksek hassasiyet, mükemmel çevresel uyum, minimum sıcaklık etkisi. Hem dinamik hem de kararlı durum ivmelerinin, düşük frekanslı düşük G ölçümlerinin yapılmasına uygundur ve yüksek G şoklarına dayanıklıdır.
Dezavantajları : Doğrusal olmayan giriş-çıkış ilişkisi, yüksek çıkış empedansı, düşük yük kapasitesi, kablo kapasitansından önemli ölçüde etkilenme.
Uygulama Alanları : Asansörlerde hızlanma ve yavaşlama testleri, uçaklarda titreşim testleri, uzay araçlarının fırlatma ve uçuş testleri; hava yastıkları ve mobil cihazlar gibi alanlarda yeri doldurulamaz.
Gerilim Ölçer İvmeölçer
Gerilim Ölçer İvmeölçer:
Prensip: Kütle bloğu, bir ucu konsol kirişe sabitlenmiş, diğer ucu ise sensör tabanına sabitlenmiştir. Konsol kirişin her iki tarafına da gerinim ölçerler takılarak bir Wheatstone köprüsü oluşturulmuştur. Kütle bloğu ve konsolun çevresi, gerekli sönümleme kuvvetini oluşturmak için sönümleme sıvısı (örneğin silikon yağı) ile doldurulmuştur. Ölçülen cismin hareketi sensörün hareket etmesine neden olur ve taban, hareketi konsol kiriş aracılığıyla kütle bloğuna iletir. Atalet kuvveti konsolu deforme ederek gerinim ölçerlerin direncinde bir değişikliğe neden olur. Sabit uyarım altında, Wheatstone köprüsü ivmeyle orantılı bir voltaj çıkış sinyali üretir ve ivme değerini gösterir.
Avantajları : Yüksek hassasiyet, geniş ölçüm aralığı, basit yapı, iyi frekans tepkisi, kolay minyatürleştirme ve entegrasyon.
Dezavantajları : Yüksek gerilimlerde büyük doğrusal olmayanlık, telafi gerektiren zayıf çıkış sinyali; daha yüksek ölçüm doğruluğu, artan kırılganlığa yol açar.
Piezorezistif İvmeölçer
MEMS Piezorezistif İvmeölçer:
Prensip: Yarı iletken malzemelerin (monokristal silikon) piezorezistif etkisine dayanarak, temel bileşenler (kütle bloğu, konsol kirişi ve braket) tek kristal silikon levhadan oyularak oluşturulur ve dirençler, Wheatstone köprüsü oluşturmak üzere konsol kirişinin tabanına yayılır.
Avantajları : Düşük çıkış empedansı, yüksek çıkış sinyal seviyesi, düşük içsel gürültü, elektromanyetik ve elektrostatik girişime karşı düşük hassasiyet, kolay sinyal işleme; yüksek şok ivmesi altında minimum sıfır kayması; geniş frekans bandı.
Dezavantajları : Düşük hassasiyet, önemli sıcaklık etkileri.
Uygulama Alanları : Çeşitli analog ve dijital devrelere entegre edilerek, otomotiv çarpışma testleri, test ekipmanları ve titreşim izleme gibi titreşim ve şok ölçümü, titreşim çalışmaları vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Endüktif İvmeölçer
İndüktif İvmeölçer Ölçümü:
Prensip: Elektromanyetik indüksiyona dayanarak, sensörün kütle bloğu bir bobin içinde hareket eder ve bobinin öz indüktansını veya karşılıklı indüktansını değiştirir; bu da ölçüm devresi tarafından voltaj veya akım değişimine dönüştürülerek ivmedeki değişiklikleri gösterir.
Avantajları : Basit yapı, güvenilir çalışma, yüksek ölçüm doğruluğu, kararlı sıfır noktası, nispeten yüksek çıkış gücü.
Dezavantajları : Hassasiyet, doğrusallık ve ölçüm aralığı birbirine bağlıdır; sensörün çözünürlüğü ölçüm aralığıyla ilişkilidir. Geniş bir ölçüm aralığı daha düşük çözünürlüğe, dar bir ölçüm aralığı ise daha yüksek çözünürlüğe yol açar; uyarı frekansı ve genliğinin yüksek kararlılığını gerektirir; sensörün kendi frekans tepkisi düşüktür, bu da onu yüksek hızlı dinamik ölçümler için uygunsuz hale getirir.
Servo İvmeölçer
Servo İvmeölçer:
Prensip: Sensörün titreşim sistemi, standart bir ivmeölçere benzer bir "mk" sisteminden oluşur, ancak kütle bloğuna bağlı bir elektromanyetik bobin içerir. Tabana ivme girişi uygulandığında, kütle bloğu denge konumundan sapar. Bu yer değiştirme bir yer değiştirme sensörü tarafından algılanır, bir servo amplifikatör tarafından yükseltilir ve bir akım çıkışına dönüştürülür. Bu akım, kalıcı bir manyetik alanda elektromanyetik bobinden akar ve kütle bloğunu orijinal denge konumuna geri getirmeye çalışan bir geri yükleme kuvveti üretir; bu da kapalı döngü durumunda çalışır.
Avantajlar : Mükemmel dinamik performansa, geniş dinamik aralığa ve iyi doğrusallığa sahip kapalı devre test sistemi. Geri besleme etkisi, parazitlere karşı direnci artırır, ölçüm doğruluğunu iyileştirir ve ölçüm aralığını genişletir. Servo ivmeölçer teknolojisi, atalet navigasyon ve yönlendirme sistemlerinde, ayrıca yüksek hassasiyetli titreşim ölçümü ve kalibrasyonunda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Dezavantajları : Yüksek maliyet.
Teknik Göstergeler
Sensörlerin başlıca çalışma göstergeleri Etkin Tepki ve Yanlış Tepki .
Etkin Tepki : Sensörün mekanik titreşim veya şok girdisine bağlı olarak hassas eksen yönündeki tepkisi. Bu tepki, güvenilir veri ölçümü için istenir.
Yanlış Tepki : Mekanik titreşimleri veya şokları ölçerken mevcut diğer fiziksel faktörlerden kaynaklanan sensörün tepkisidir. Bu tepki doğru ölçümü engeller ve istenmeyen bir durumdur.
Etkin Yanıtın Temel Teknik Göstergeleri : Hassasiyet, genlik-frekans tepkisi ve faz-frekans tepkisi; doğrusal olmama.
Yanlış Tepki Başlıca Teknik Göstergeleri : Sıcaklık tepkisi, geçici sıcaklık duyarlılığı, enine duyarlılık, dönme hareketi duyarlılığı, taban gerilimi duyarlılığı, manyetik duyarlılık, montaj torku duyarlılığı ve özel ortamlara tepki.
Sensör Seçimi
Öncelikli olarak aşağıdaki göstergelere odaklanılmaktadır:
- Sensör tipi
- Menzil
- Hassasiyet
- Frekans tepki bant genişliği
- Ağırlık
