Акселерометр — це датчик, який перетворює інформацію про прискорення в електричні сигнали. Зазвичай він складається з масового блоку, механізму демпфування, пружного корпусу, чутливого елемента та компонентів для налагодження.
Принцип
Під час прискорення датчика та вимірюваного об’єкта вимірюється сила інерції, що діє на блок маси, і значення прискорення обчислюється за формулою a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (секунда Ньютона закон).
Типи (на основі чутливих елементів)
- П'єзоелектричний акселерометр
- Ємнісний акселерометр
- Тензометричний акселерометр
- П'єзорезистивний акселерометр
- Індуктивний акселерометр
- Акселерометр сервоприводу
П'єзоелектричний акселерометр
П'єзоелектричний акселерометр (п'єзоелектричний акселерометр):
Принцип: використовує п'єзоелектричний ефект п'єзоелектричної кераміки або кварцових кристалів. Коли акселерометр рухається, сила, що застосовується до п'єзоелектричного елемента, змінюється масовим блоком, внаслідок чого п'єзоелектричний керамічний або кварцовий кристал деформується і генерує електричний сигнал. Електричний сигнал пропорційний прискоренню, що вказує на зміни прискорення. Примітка: Частота вібрації вимірюваного об'єкта повинна бути значно нижчою, ніж резонансна частота акселерометра.
Переваги : висока чутливість, високе співвідношення сигнал-шум, великий динамічний діапазон, широкий діапазон частот, проста структура, проста установка, тривалий термін експлуатації.
Недоліки : висока резонансна частота, сприйнятлива до звукових перешкод; Високий вихідний опір, слабкий вихідний сигнал, що вимагає посилення ланцюгів для виявлення.
П'єзоелектричний зсувний тип IEPE Accelerometer Profile
Ємнісний акселерометр MEMS
Ємнісний акселерометр (змінний ємнісний акселерометр):
Принцип: На основі принципу ємності, де змінюється відстань між електродами. Один електрод фіксований, а інший - гнучка діафрагма. Під зовнішніми силами (наприклад, тиск повітря, гідравлічний тиск) діафрагма рухається, викликаючи зміну ємності. Цей тип датчика може вимірювати швидкість вібрації (прискорення) у потоці повітря або рідини, а також може вимірювати тиск.
Змінний ємнісний акселерометр MEMS:
Принцип: Чутливий елемент складається з трьох монокристалічних кремнієвих вафель, з'єднаних між собою. Верхня та нижня вафля утворюють два нерухомі електроди, в той час як середня пластина, хімічно протворена, утворюючи гнучку мембрану, що підтримує жорстку центральну масу, діє як чутливий елемент. Товщина мембрани визначає діапазон датчика. Невеликі отвори врізаються в мембрану. Коли мембрана рухається з масою, повітря протікає через отвори, забезпечуючи силу демпфування. Зміна ємності генерує зміну струму, що вказує на прискорення.
Переваги : хороші низькочастотні характеристики, висока чутливість, відмінна адаптованість навколишнього середовища, мінімальний температурний ефект. Підходить для вимірювання як динамічних, так і стаціонарних прискорень, низькочастотних вимірювань з низьким вмістом G та може терпіти поштовхи з високими G.
Недоліки : нелінійні відносини введення-вихід, високий вихідний опір, погана здатність навантаження, суттєво впливають на кабельну ємність.
Застосування : тестування прискорення та уповільнення в ліфтах, тестування на тестування на літаках, запусках та польотах космічних кораблів, незамінних у полях, таких як подушки безпеки та мобільні пристрої.
Тензометричний акселерометр
Тензометричний акселерометр:
Принцип: Масовий блок фіксується на одному кінці консольного променя, а інший кінець закріплений на датчиковій основі. Обидві сторони консольного променя кріпляться з штамами, утворюючи пшеничний міст. Навколишнє масового блоку та консолі наповнюється демпфуючою рідиною (наприклад, силіконовою олією) для створення необхідної сили демпфування. Рух вимірюваного об'єкта змушує датчик рухатися, а основа передає рух до масового блоку через консольний промінь. Інерційна сила деформує консоль, викликаючи зміну опору штамів. Під постійним збудженням міст Пшеничного каменю генерує вихідний сигнал напруги, пропорційний прискоренню, що вказує на значення прискорення.
Переваги : висока точність, широкий діапазон вимірювання, проста структура, хороша частотна реакція, легка мініатюризація та інтеграція.
Недоліки : велика нелінійність для високих штамів, слабкий вихідний сигнал, що потребує компенсації; Більш висока точність вимірювання призводить до підвищення крихкості.
П'єзорезистивний акселерометр
Mems Piezoresistivive Accelerometer:
Принцип: На основі п’єзорезистичного ефекту напівпровідникових матеріалів (монокристалічного кремнію) основні компоненти (масовий блок, консольна промінь та кронштейна) виводяться з одноразової кремнієвої пластини, а резистори дифундуються біля основи консольного променя до формування пшеничний міст.
Переваги : низький вихідний опір, високий рівень вихідного сигналу, низький внутрішній шум, низька чутливість до електромагнітних та електростатичних перешкод, проста кондиціонування сигналу; Мінімальний нульовий дрейф під високим шоковим прискоренням; Широка діапазон частот.
Недоліки : низька чутливість, значні температурні ефекти.
Застосування : інтегровані в різні аналогові та цифрові схеми, широко використовуються для вимірювання вібрації та шоку, досліджень тремтіння тощо, таких як випробування автомобільних аварій, випробувальне обладнання та моніторинг вібрації.
Індуктивний акселерометр
Вимірювання індуктивного акселерометра:
Принцип: На основі електромагнітної індукції масовий блок датчика рухається всередині котушки, змінюючи самоіндуктивність або взаємну індуктивність котушки, яка потім перетворюється на напругу або зміну струму за допомогою схеми вимірювання, що вказує на зміни прискорення.
Переваги : проста структура, надійна робота, висока точність вимірювання, стабільна нульова точка, відносно висока потужність виходу.
Недоліки : чутливість, лінійність та діапазон вимірювань взаємозалежні; Роздільна здатність датчика пов'язана з діапазоном вимірювання. Великий діапазон вимірювань призводить до нижчої роздільної здатності, і навпаки; вимагає високої стабільності частоти збудження та амплітуди; Власна частотна реакція датчика низька, що робить його непридатним для високошвидкісних динамічних вимірювань.
Акселерометр сервоприводу
Акселерометр сервоприводу:
Принцип: Система вібрації датчика складається з системи "MK", подібної до стандартного акселерометра, але з електромагнітною котушкою, прикріпленою до масового блоку. Коли вхід прискорення застосовується до основи, масовий блок відхиляється від положення рівноваги. Це переміщення виявляється датчиком переміщення, посиленим підсилювачем сервоприводу та перетворюється на вихідний вихід. Цей струм протікає через електромагнітну котушку в постійному магнітному полі, генеруючи силу відновлення, яка намагається повернути масовий блок до його первісного положення рівноваги, що працює в стані закритого циклу.
Переваги : система тестування із замкнутим циклом з відмінними динамічними продуктивністю, великим динамічним діапазоном та хорошою лінійністю. Дія зворотного зв'язку підвищує стійкість до перешкод, покращує точність вимірювання та розширює діапазон вимірювання. Технологія Servo Accelerometer широко використовується в інерційних системах навігації та настанов, а також високоточній вимірюванні вібрації та калібрування.
Недоліки : висока вартість.
Технічні показники
Основні операційні показники датчиків поділяються на ефективну реакцію та хибну реакцію .
Ефективна реакція : Відповідь датчика у напрямку чутливої осі через механічну вібрацію або ударний вхід. Ця відповідь бажана для надійного вимірювання даних.
Невимірна реакція : реакція датчика, викликана іншими фізичними факторами, присутнім під час вимірювання механічних коливань або потрясінь. Ця відповідь заважає правильному вимірюванні і не є набором.
Ефективні основні технічні показники : чутливість, амплітудна частота відповіді та фазова частота; нелінійність.
Невимірна реакція Основні технічні індикатори : температурна реакція, перехідна чутливість до температури, поперечна чутливість, чутливість до обертання, чутливість до базової деформації, магнітна чутливість, чутливість до кінця встановлення та реакція на спеціальні середовища.
Вибір датчика
Основна увага приділяється наступним показникам:
- Тип датчика
- Діапазон
- Чутливість
- Пропускна здатність частоти
- Вага
