Акселерометр датчик , який перетворює інформацію про прискорення на електричні сигнали. Зазвичай він складається з масового блоку, демпфіруючого механізму, пружного тіла, чутливого елемента та компонентів налагодження.
Принцип
Під час прискорення датчика та вимірюваного об'єкта вимірюється сила інерції, що діє на масовий блок, і значення прискорення розраховується за формулою a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (другий закон Ньютона).
Типи (на основі чутливих елементів)
- П'єзоелектричний акселерометр
- Ємнісний акселерометр
- Тензодатчик акселерометра
- П'єзорезистивний акселерометр
- Індуктивний акселерометр
- Сервоакселерометр
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 прикладається до п'єзоелектричного елемента масовим блоком, змінюється, що призводить до деформації п'єзоелектричної кераміки або кварцового кристала та генерації електричного сигналу. Електричний сигнал пропорційний прискоренню, що вказує на зміни прискорення. Примітка: Частота коливань вимірюваного об'єкта повинна бути значно нижчою за резонансну частоту акселерометра.
Переваги : Висока чутливість, високе співвідношення сигнал/шум, великий динамічний діапазон, широкий діапазон частот, проста структура, легке встановлення, тривалий термін служби.
Недоліки : Висока резонансна частота, схильність до звукових перешкод; високий вихідний опір, слабкий вихідний сигнал, необхідність використання схем підсилення для детектування.
П'єзоелектричний акселерометр типу IEPE
Ємнісний акселерометр MEMS
Ємнісний акселерометр (змінний ємнісний акселерометр):
Принцип: Засновано на принципі ємності, де змінюється відстань між електродами. Один електрод нерухомий, а інший — гнучка діафрагма. Під дією зовнішніх сил (наприклад, тиску повітря, гідравлічного тиску) діафрагма рухається, що призводить до зміни ємності. Цей тип датчика може вимірювати швидкість коливань (прискорення) в потоці повітря або рідини, а також вимірювати тиск.
MEMS-акселерометр зі змінною ємністю:
Принцип: Чутливий елемент складається з трьох монокристалічних кремнієвих пластин, скріплених між собою. Верхня та нижня пластини утворюють два нерухомих електроди, тоді як середня пластина, хімічно протравлена для утворення гнучкої мембрани, що підтримує жорстку центральну масу, діє як чутливий елемент. Товщина мембрани визначає діапазон датчика. У мембрані протравлені невеликі отвори. Коли мембрана рухається разом з масою, повітря протікає через отвори, забезпечуючи демпфіруючу силу. Зміна ємності генерує зміну струму, яка вказує на прискорення.
Переваги : Хороші низькочастотні характеристики, висока чутливість, чудова адаптивність до навколишнього середовища, мінімальний вплив температури. Придатний для вимірювання як динамічних, так і стаціонарних прискорень, низькочастотних вимірювань низької гравітації та стійкості до ударів високої гравітації.
Недоліки : Нелінійна залежність вхід-вихід, високий вихідний імпеданс, низька навантажувальна здатність, суттєво залежить від ємності кабелю.
Застосування : випробування прискорення та уповільнення в ліфтах, випробування флаттера на літаках, запуски та льотні випробування космічних апаратів, незамінний у таких галузях, як подушки безпеки та мобільні пристрої.
Тензодатчик акселерометра
Тензодатчик акселерометра:
Принцип: Масовий блок закріплений на одному кінці консольної балки, а інший кінець закріплений на основі датчика. Обидві сторони консольної балки з'єднані тензодатчиками, утворюючи місток Уїтстона. Простір навколо масового блоку та консолі заповнений демпфуючою рідиною (наприклад, силіконовою олією) для створення необхідної демпфуючої сили. Рух вимірюваного об'єкта змушує датчик рухатися, а основа передає рух масовому блоку через консольну балку. Сила інерції деформує консоль, викликаючи зміну опору тензодатчиків. Під постійним збудженням місток Уїтстона генерує вихідний сигнал напруги, пропорційний прискоренню, що вказує на значення прискорення.
Переваги : Висока точність, широкий діапазон вимірювань, проста структура, хороша частотна характеристика, легка мініатюризація та інтеграція.
Недоліки : велика нелінійність для високих деформацій, слабкий вихідний сигнал, що потребує компенсації; вища точність вимірювання призводить до підвищеної крихкості.
П'єзорезистивний акселерометр
П'єзорезистивний акселерометр MEMS:
Принцип: На основі п'єзорезистивного ефекту напівпровідникових матеріалів (монокристалічного кремнію) основні компоненти (блок маси, консольна балка та кронштейн) витравлюються з монокристалічної кремнієвої пластини, а резистори розсіюються біля основи консольної балки, утворюючи місток Уїтстона.
Переваги : Низький вихідний імпеданс, високий рівень вихідного сигналу, низький внутрішній шум, низька чутливість до електромагнітних та електростатичних перешкод, легке формування сигналу; мінімальний дрейф нуля при високому ударному прискоренні; широкий діапазон частот.
Недоліки : Низька чутливість, значний температурний вплив.
Застосування : Інтегрований у різні аналогові та цифрові схеми, широко використовується для вимірювання вібрації та ударів, досліджень флаттеру тощо, таких як автомобільні краш-тести, випробувальне обладнання та моніторинг вібрації.
Індуктивний акселерометр
Вимірювання індуктивним акселерометром:
Принцип: На основі електромагнітної індукції масовий блок датчика рухається в котушці, змінюючи власну індукцію або взаємну індуктивність котушки, яка потім перетворюється вимірювальною схемою на зміну напруги або струму, що вказує на зміни прискорення.
Переваги : проста конструкція, надійна робота, висока точність вимірювання, стабільна нульова точка, відносно висока вихідна потужність.
Недоліки : чутливість, лінійність та діапазон вимірювання взаємозалежні; роздільна здатність датчика пов'язана з діапазоном вимірювання. Великий діапазон вимірювання призводить до нижчої роздільної здатності, і навпаки; потрібна висока стабільність частоти та амплітуди збудження; власна частотна характеристика датчика низька, що робить його непридатним для високошвидкісних динамічних вимірювань.
Сервоакселерометр
Сервоакселерометр:
Принцип: Вібраційна система датчика складається з системи «mk», подібної до стандартного акселерометра, але з електромагнітною котушкою, прикріпленою до масового блоку. Коли до основи подається вхідне прискорення, масовий блок відхиляється від положення рівноваги. Це зміщення виявляється датчиком переміщення, посилюється сервопідсилювачем і перетворюється на вихідний струм. Цей струм протікає через електромагнітну котушку в постійному магнітному полі, генеруючи відновлювальну силу, яка намагається повернути масовий блок у початкове положення рівноваги, працюючи в режимі замкнутого циклу.
Переваги : Замкнута система випробувань з відмінними динамічними характеристиками, широким динамічним діапазоном і хорошою лінійністю. Зворотний зв'язок підвищує стійкість до перешкод, покращує точність вимірювань і розширює діапазон вимірювань. Технологія сервоакселерометрів широко використовується в інерціальних навігаційних та навідних системах, а також для високоточних вимірювань і калібрування вібрації.
Недоліки : Висока вартість.
Технічні індикатори
Основні робочі показники датчиків поділяються на ефективну реакцію та помилкову реакцію .
Ефективна реакція : реакція датчика в напрямку чутливої осі, спричинена механічною вібрацією або ударом. Ця реакція необхідна для надійного вимірювання даних.
Хибна реакція : реакція датчика, спричинена іншими фізичними факторами, присутніми під час вимірювання механічних коливань або ударів. Ця реакція перешкоджає правильному вимірюванню та є небажаною.
Основні технічні показники ефективної відповіді : чутливість, амплітудно-частотна характеристика та фазо-частотна характеристика; нелінійність.
Основні технічні показники паразитної реакції : температурна реакція, чутливість до перехідних температур, поперечна чутливість, чутливість до обертального руху, чутливість до базової деформації, магнітна чутливість, чутливість до монтажного крутного моменту та реакція на спеціальні умови.
Вибір датчика
Основна увага приділяється таким показникам:
- Тип датчика
- Діапазон
- Чутливість
- Смуга пропускання частотної характеристики
- Вага
