Классификация акселерометров и сферы применения

Что нужно учитывать при подборе акселерометра под задачи проекта

Акселерометр – это инерциальный датчик кажущегося линейного ускорения (ДЛУ), позволяющий измерить величину изменения скорости движения объекта. Акселерометр измеряет величину этого изменения в единицах g (1g = 9,81 м/с2). В зависимости от технологии изготовления и конструкции акселерометр может осуществлять измерения по одной, двум или трём осям. Для справки: кажущееся линейное ускорение разность между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением.

В каталоге инерциальных датчиков ИНЕЛСО представлены преимущественно одноосевые акселерометры, которые, помимо прочего, могут входить в состав представленных на сайте много-осевых инерциальных модулей.

Имея данные о мгновенных изменениях ускорения, возможно вычислить текущую скорость движения тела, а интегрируя скорость по времени, получить пройденное расстояние. Этим обусловлено широкое применение акселерометров в системах навигации.

Частным примером применения акселерометров являются системы определения наклона - инклинометры. Поскольку ускорение свободного падения постоянно, измеряя его, можно вычислить угол наклона. Для этого используется акселерометр с диапазоном измерений ±1 g. Если ось чувствительности такого акселерометра расположена перпендикулярно направлению гравитации Земли, то показания на его выходе будут равняться нулю. При постепенном наклоне этого датчика таким образом, чтобы его ось чувствительности поворачивалась в направлении, параллельном гравитационному полю нашей планеты, показания будут нарастать, достигнув максимума (1 g) при положении, когда направление оси чувствительности акселерометра полностью совпадет с направлением гравитации.

Приборы, определяющие угол наклона, называются инклинометрами (от англ. Inclination meter). В каталоге ИНЕЛСО представлены одно- и двухосевые инклинометры.

Также акселерометры широко применяются для измерения вибрации различных конструкций, узлов и объектов. Данные таких измерений используются в системах мониторинга состояния критически важных или опасных объектов.

Технологии, используемые при производстве акселерометров

В настоящее время широкое распространение при производстве инерциальных датчиков в целом и акселерометров в частности получили МЭМС-технологии.

МЭМС-технологии

МЭМС – это микро-электромеханические системы, устройства, в которых подвижные микромеханические компоненты и микроэлектронные элементы объединены на одной кремниевой пластине. Эта технология начала развиваться в 50-60-х годах прошлого века. До этого момента в технике преобладали преимущественно механические компоненты, обладающие более простым устройством, чем электронные элементы, но их главным недостатком являлся их размер – большинство механических устройств значительно крупнее аналогичных им электронных. Развитие МЭМС-технологий предлагало революционное решение этой проблемы – уменьшение размеров механических деталей и совмещения их с электронными компонентами на одной монтажной подложке, что позволяло использовать преимущества обеих групп компонентов. На рисунке представлена схема работы двухосного ёмкостного акселерометра.

В основе емкостных МЭМС-датчиков лежит схема «ёмкостной полумост» – схема из двух конденсаторов с подвижными обкладками. При наличии ускорения инертная масса, являющаяся основой датчика, смещается, а за ней смещаются обкладки конденсаторов, то есть изменяется их ёмкость. Сигнал, отражающий изменение ускорения, перемножается с несущим сигналом, после чего усиливается, де-модулируется, проходит через фильтр низких частот и подаётся на выход устройства.

Ёмкостные акселерометры применяются, в основном, для измерений вибрации и ускорения в относительно узкой полосе частот.

Существуют также МЭМС-акселерометры, чей принцип работы основан на пьезоэффекте, они бывают пьезоэлектрическими и пьезорезистивными. В пьезоэлектрическом акселерометре движение инертной массы под влиянием силы ускорения вызывает деформацию пьезоэлемента, приводящую к появлению в нём напряжения, пропорционального величине ускорения.

Пьезоэлектрические акселерометры

Пьезоэлектрические акселерометры бывают компрессионного и сдвигового типа. В акселерометрах компрессионного типа пьезоэлемент работает на растяжение-сжатие и хорошо подходит для измерений малых величин ускорения, поскольку конструкция такого датчика позволяет получить высокую чувствительность. В акселерометрах сдвигового типа пьезоэлемент работает на сдвиг, и главным преимуществом датчиков этого типа являются их малые размеры и масса, что привело к их широкому распространению в малогабаритных устройствах.

К преимуществам пьезоэлектрических акселерометров можно отнести работу в широком температурном диапазоне – от экстремально низких до чрезвычайно высоких, что позволяет использовать их, например, в газотурбинных двигателях.

Пьезорезистивные акселерометры

Пьезорезистивные акселерометры представляют собой инертную массу на упругом подвесе с пьезорезистивными элементами, соединёнными по мостовой схеме. Если появляется ускорение, инертная масса отклоняется от своего нейтрального положения, что приводит к возникновению механических напряжений в пьезорезисторах, от чего меняется их сопротивление. Изменение сопротивлений приводит к разбалансировке всей мостовой схемы и появлению напряжения, пропорционального ускорению, в её диагонали.

Пьезорезистивные датчики обладают высоким соотношением сигнал/шум, относительно большой полосой пропускания и высокой ударостойкостью, но они обладают низкой чувствительностью и работают в более узком температурном диапазоне. Их часто применяют для измерения ударов. Ниже представлена схема работы пьезорезистивного акселерометра.

Кварцевые маятниковые акселерометры

Помимо МЭМС-акселерометров, на сайте ИНЕЛСО представлены также кварцевые маятниковые акселерометры. Первые акселерометры такого плана разработала компания Sundstrand Data Control в 1980-х, изготовив микроакселерометр компенсационного типа, в котором чувствительный элемент (ЧЭ) был выполнен из кварца.

Верхняя часть внешнего кольца кварцевого элемента закреплена неподвижно в корпусе, таким образом, чтобы, являющийся продолжением кварцевого элемента, подвешенный на тонких эластичных кварцевых перемычках (балках), маятник располагался между двух магнитных систем, состоящих из высокостабильных магнитов и корпуса. Маятник имеет металлическое покрытие, которое в комплексе с элементами корпуса и зазорами создает две емкости. Когда тело, на котором установлен акселерометр, получает ускорение перпендикулярное оси ЧЭ, что приводит к отклонению маятника в направлении приложенного ускорения. Отклонение маятника в свою очередь приводит к изменению зазоров между ним и корпусом. Таким образом происходит изменение емкости конденсаторов, которое поступает в Систему отрицательной обратной связи (ОС) как сигнал ошибки от детектора ёмкости. Реагируя на такое изменение емкости, система ОС пропускает ток через катушки, прикреплённые с обеих сторон маятника. Протекание тока по катушкам вызывает возникновение силы Лоренца, а учитывая, что катушки располагаются вокруг неподвижно установленных в корпусе датчика магнитов маятник возвращается в нулевое положение. Ток, протекающий через катушки, пропорционален ускорению, и этот же ток, проходя через внешние нагрузочные резисторы, даст на выход напряжение, пропорциональное ускорению.

Кварцевые акселерометры широко применяются в навигационных системах морских и воздушных судов, ракет, в горнодобывающей промышленности для измерения профиля скважин. К их преимуществам относятся меньшая величина нестабильности смещения, широкий температурный диапазон и высокая чувствительность. На рисунке ниже показано устройство кварцевого акселерометра.

Параметры акселерометров

При выборе акселерометра для конкретных задач, помимо технологии измерения, необходимо учесть характеристики датчика. У ДЛУ есть несколько ключевых параметров, на которые необходимо обратить внимание.

Что нужно учитывать при выборе акселерометра

• Диапазон измерений, измеряемый в единицах g. Чем больше значение, указанное в характеристиках, тем большую амплитуду ускорения способен измерить акселерометр.
• Чувствительность (разрешение) акселерометра – это величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое датчик будет способен определить. Измеряется, как правило, в mg. Чем ниже значение – тем чувствительность выше и тем более слабое ускорение акселерометр сможет зафиксировать.
• Полоса пропускания – это диапазон частот, в котором акселерометр измеряет ускорение. Чем шире полоса пропускания, тем в большем частотном диапазоне акселерометр зафиксирует ускорение, поэтому важно понимать, в каком частотном диапазоне планируется проводить измерения. Для таких источников возбуждения как взрывы и работа машин диапазон частот составляет от 1 до 300 Гц, а вот при забивке свай этот диапазон составляет в среднем от 1 до 100 Гц. Вибрации измеряют в диапазоне от 1 до 1000 Гц, и делят их на низко-, средне- и высокочастотные, и выбор акселерометра во многом зависит от того, какую именно вибрацию планируется им измерять.
• Выходное разрешение акселерометра (масштабный коэффициент) – это отношение полного диапазона измерений акселерометра к полному диапазону полезного сигнала на выходе датчика, измеряется в мВ/g или в ppm. Чем выше разрешение – тем выше амплитуда выходного сигнала при минимальном изменении входной величины.
• Число осей – количество осей, по которым ДЛУ может измерять ускорения.
• Нестабильность смещения – это случайные вариации смещения, вычисленные как усреднённые значения в определённый временной интервал. Чем оно ниже, тем стабильнее сигнал на выходе в не меняющихся условиях.
• Диапазон рабочих температур – чем он шире, тем в более разнообразных условиях акселерометр может функционировать.
• Ударостойкость – сила удара, измеряемая в g, которую способен выдержать акселерометр. Чем она выше, тем более экстремальные механические нагрузки способен выдержать датчик без изменения в технических характеристиках.
• Тип подключения – как устанавливается акселерометр: припаивается на плату или подключается через разъём.

Применение акселерометров

В настоящее время акселерометры применяются во многих сферах и отраслях промышленности:

• Авионика
• Робототехника
• Сельскохозяйственная техника
• Геофизика-Машиностроение
• Картография
• И других областях.

Акселерометры в каталоге товаров ИНЕЛСО

Данная информация НЕ направлена на привлечение внимания к объекту публикации, формирование или поддержание интереса к нему и его продвижение на рынке и публикуется в целях информирования участников рынка электроники.