Датчики ускорения – Датчики ускорения — какие бывают? — журнал За рулем

stydopedia.ru

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения.

Нужен акселерометр? Столкнувшись с разнообразием технологий, формы, размера, диапазона измерений, нововведений даже самые опытные инженеры могут столкнуться с проблемой выбора правильной модели. Надеемся, что данная статья поможет быстрее сориентироваться в широкой номенклатуре акселерометров.

Принцип измерений

Первый шаг к правильному выбору акселерометра – это определение наиболее подходящего параметра измерений. Сегодня используются три технологии построения акселерометра:
— пьезоэлектрические акселерометры – самый распространенный на сегодняшний день вид акселерометров, которые широко используются для решения задач тестирования и измерений. Такие акселерометры имеют очень широкий частотный диапазон (от нескольких Гц до 30 кГц) и диапазон чувствительности, а также выпускаются в различных размерах и формах. Выходной сигнал пьезоэлектрических акселерометров может быть зарядовым (Кл) или по напряжению. Датчики могут использоваться для измерений как удара, так и вибрации.
— пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Еще одна область их применения – испытания на безопасность при столкновении. В большинстве своем пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном частот (от нескольких сотен Гц до 130 кГц и более), при этом частотная характеристика может доходить до 0 Гц (т.н. DC датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
— акселерометры на переменных конденсаторах относятся к компонентам новейших технологий. Как и пьезорезистивные акселерометры, они имеют DC ответ. Такие акселерометры отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3000 Гц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурной диапазоне до 180°C не превышает 1.5 %. Акселерометры на переменных конденсаторах используются для измерений низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения.

Измеряемые параметры

• измерение вибрации: объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также на промышленном производстве.
• измерение ударных ускорений: внезапное возбуждение структуры, создающее резонанс. Ударный импульс может создаваться взрывом, ударом молотка по предмету или в результате столкновения с другим объектом.
• измерение движения: медленное перемещение со скоростью от доли секунды до нескольких минут, например, перемещение руки робота или подвеска автомобиля.
• сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации. Такие измерения требуют специализированных малощумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмоисследований контролируют движения мостов, полов, а также определяют землетрясения.

Общие понятия

Перед обсуждением технологии и особенностей применения, необходимо сделать несколько общих замечаний.
Частотная характеристика – это зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешнего механического воздействия в частотном диапазоне с фиксированной амплитудой. Это один из основных параметров, от которого зависит выбор того или иного компонента. Диапазон частот обычно определяется серией экспериментов и указывается в спецификации. Обычно этот параметр указывается с точностью ±5% от опорной частоты (обычно 100 Гц).

Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ или ±3 дБ. Эти значения указывают на точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Многие data sheet содержат графики типичной АЧХ, которые иллюстрируют флуктуацию точности компонента в различных частотных диапазонах.

Другой важный параметр акселерометра – число осей измерения. Сегодня выпускаются компоненты с одной и тремя измерительными осями. Еще одна возможность построения сложной системы – это организация трех акселерометров в один измерительный блок.

Вибрация

Лучший выбор для измерения вибрации – это пьезоэлектрические акселерометры, благодаря их широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности и высокой разрешающей способности. В зависимости от типа выходного сигнала они могут быть с зарядовым выходом и с выходом по напряжению (IEPE).

В последнее время широко используются акселерометры с вольтовым выходным сигналом, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители компонентов этой группы придерживаются единого псевдо-стандарта, поэтому легко заменяемы между собой. Обычно такие акселерометры имеют в своей структуре усилитель заряда, поэтому не требуют дополнительных внешних компонентов. Всё, что нужно для подключения акселерометра, — это источник постоянного тока. Таким образом, для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах температурной нормы -55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры с выходным сигналом по напряжению.

Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в широком диапазоне амплитуды, который определяется настройками усилителя заряда (заметим, что акселерометры по напряжению имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур составляет -55…288°C, а специализированные компоненты могут работать в диапазоне -269…760°C.

Однако в отличие от IEPE акселерометров, емкостные датчики требуют применения специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену на стандартные коаксиальные кабели. Для подключения датчиков также потребуются усилители заряда и линейные конвертеры. Подводя итоги, можно придти к заключению, что емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных измерений неизвестных заранее ускорений.

В приложениях, где требуется измерять вибрацию очень малой частоты, рекомендуется использовать акселерометры на переменных конденсаторах (VC). Их частотная характеристика составляет от 0 Гц до 1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности. При проведении измерений низкочастотной вибрации VC акселерометр с частотной характеристикой 0-15 Гц будет иметь чувствительность 1 В/г. Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автомобилестроении, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.

Ударные ускорения

Для измерений ударных ускорений используются две технологии, модельный ряд представлен компонентами на различный уровень силы удара и с различными выходными характеристиками. Выбор акселерометра для ударных ускорений, в первую очередь, зависит от ожидаемого уровня ударного ускорения.

• Низкий уровень <500 г
• Столкновение <2000 г
• Поле в дальней зоне 500–1000 г, датчик на расстоянии 2 метров от точки удара
• Поле в ближней зоне >5000 г, датчик на расстоянии менее 1 метра от точки удара

Для измерения малых ударных ускорений можно использовать акселерометры общего применения. Акселерометр должен иметь линейный диапазон до 500 г и ударопрочность 500 г. Обычно для этого используются датчики с выходным сигналом по напряжению, поскольку они не чувствительны к кабельным вибрациям. Для аттенюации резонанса рекомендуется использовать усилитель с фильтром нижних частот.

Для тестовых испытаний машин на безопасность используются пьезорезистивные акселерометры. Для измерений ударов в дальней зоне применяются специализированные акселерометры со встроенным фильтром и сдвиговой модой. Электронный фильтр уменьшает собственную резонансную частоту акселерометра для предотвращения перегрузки оборудования.

Акселерометры для измерений в ближней зоне имеют рабочий диапазон до 20,000 г. Здесь выбор зависит от специфики проводимого теста, поэтому используются как пьезоэлектрические, так и пьезорезистивные датчики. Обычно такие приборы имеют встроенный механический фильтр.

Также как и при измерении вибрации, частотная характеристика является важнейшим параметром датчиков ударного ускорения. Желательно, чтобы такие датчики имеют широкий диапазон частот (около 10 кГц).

Измерение движения, фиксированного ускорения и низкочастотной вибрации

Для таких целей наиболее подходящим выбором станут акселерометры с переменной емкостью. Они позволяют измерять медленные изменения ускорения и низкочастотную вибрацию, при этом уровень их выходного сигнала достаточно высок. Также, такие датчики обеспечивают высокую стабильность в широком диапазоне рабочих температур.
При установке VC акселерометра в положение, когда его ось чувствительности параллельна оси земного притяжения, выходной сигнал датчика будет равен усилию в 1 г. Такая закономерность известна как DC отклик. Благодаря такой особенности, акселерометры на переменных конденсаторах часто используются для измерений центробежной силы или ускорений и замедлений подъемных устройств.

Условия эксплуатации

После выбора акселерометра соответствующей технологии и отвечающего требованиям целевого применения необходимо рассмотреть ряд следующих факторов. В первую очередь, это условия окружающей среды, где датчик будет использоваться. Сюда относятся рабочая температура, максимальный уровень ускорения и влажность.

Диапазон измерений акселерометра указывается в спецификации дважды, что может спутать инженера по применению. Действительный диапазон указывается в динамических характеристиках. Например, IEPE акселерометр может иметь диапазон 500 g, но при определенных условиях среды может выдерживать удар до 1000 g и 2000 g. 500 g – это максимальный диапазон линейной работы акселерометра. Параметры, указанные для определенных условий эксплуатации, показывают максимально допустимый уровень удара.

В случае с акселерометрами зарядового типа, динамические характеристики не содержат рабочего диапазона, поскольку он во многом зависит от усилителя заряда. Здесь лучше обратиться к линейности амплитудной характеристики, которая указывается в разделе динамических параметров. Также как и в предыдущем случае, максимальный диапазон измерений, указанный при определенных условиях эксплуатации, свидетельствует о предельной нагрузочной способности акселерометра.

О возможностях работы датчиков во влажной среде свидетельствуют различные указатели на герметичность исполнения корпуса. Следует заметить, что непрерывное изменение температурных условий может нарушить эпоксидную изоляцию корпуса датчика.

Поскольку современные технологии производства акселерометров используют немагнитные материалы, магнитная чувствительность редко указывается в спецификации на компоненты. Если датчик предназначен для установки на гибкие поверхности, на ведущее место выходят параметры изгиба основания. Сгиб поверхности приводит к изгибу основания акселерометра, что может привести к ошибочному срабатыванию датчика в результате вибрации. Поэтому следует избегать применения компрессионных акселерометров на гибких поверхностях.

Вес акселерометра

При соприкосновении акселерометра и объекта измеряемое ускорение изменится. Этого эффекта можно избежать, если не забывать про вес самого датчика. В качестве эмпирического правила можно принять то, что вес акселерометра должен превышать вес предмета не более чем на 10%.

Чувствительность и разрешение

Когда необходимы датчики с малым выходным сигналом или широким динамическим диапазоном, следует обратиться к параметрам разрешения и чувствительности.

Акселерометр преобразовывает механическую энергию в электрический выходной сигнал. Такой сигнал может выражаться в мВ/г или в пКл/г (для датчиков с зарядовым выходом). Обычно линейка акселерометров содержит несколько моделей с различной чувствительностью, оптимальное значение которой зависит от уровня измеряемого сигнала. Например, для измерений сильных ударных колебаний требуются датчики с низкой чувствительностью.

Для приложений, требующих измерений малых ускорений, лучшим решением будет использование акселерометра с высокой чувствительностью, где выходной сигнал будет выше уровня шума усилителя. Например, если ожидается уровень вибрации 0.1g, а чувствительность датчика составляет 10 мВ/g, напряжение выходного сигнала составит 1 мВ и потребуется акселерометр с более высокой чувствительностью.

Разрешение связано с минимальным значимым сигналом акселерометра. Этот параметр базируется на уровне собственных шумов акселерометра (а при выборе IEPE акселерометра, и на внутренней электронной схеме) и выражается в g rms.

Источник: http://www.sensorica.ru/docs/art2.html

www.vibrtest.ru

Акселерометр. Виды и типы. Работа и применение. Особенности

Акселерометр – это измерительный прибор позволяющий определить проекцию кажущегося ускорения. В простейшем исполнении он представляет собой грузик, закрепленный на упругом подвесе. При его отклонении от первоначального положения на упругом подвесе можно определить направление изменения положения, а также величину ускорения.

Виды акселерометров

Существует три разновидности акселерометров. Они бывают одноосные, двуосные и трехосные. Наиболее часто используемыми являются трехкомпонентные устройства. Они имеют возможность измерять проекцию кажущегося ускорения в 3-х плоскостях.

Данное оборудование бывает:

• Механическим.
• Электронным.
• Пьезоэлектрическим.
• Термальным.

Механический акселерометр является самой простой и полностью соответствует классической конструкции, которая была придумана изначально. У нее подвешенный груз закрепляется на эластичном подвесе. При изменении положения корпуса прибора под воздействием инерции подвешенное тело компенсирует перекос, тем самым воздействия на пружину на которой оно крепится. В результате специальный механизм определяет подобные колебания и переводит их в показатель линейного ускорения.

Электронные предусматривают совмещение механических частей прибора с датчиками. Они позволяют осуществить более точное и быстрое измерение параметров перемещения положения закрепленной массы. Подобные устройства в разы более компактные, и внешне могут представлять собой миниатюрный чип для микросхемы, габариты которого не превышают размер ногтя на мизинце.

Пьезоэлектрические имеют внутри твердый стержень, который постоянно находится под давлением и воздействует на пьезокристалл. В результате вибрации осуществляется выработка электрического тока. Измеряя параметры напряжения проводится определение фактических показателей ускорения.

Термальные имеют в своей конструкции миниатюрный пузырек воздуха. При ускорении он отклоняется от своего положения, что фиксируется чувствительными датчиками.

Сфера применения устройства

Развитие технологий привело к внедрению акселерометра в различные виды оборудования, позволяя расширить их технические возможности. Если сразу после изобретения подобные датчики применялись только на паровозах с целью определения скорости их движения, то сейчас такие приборы можно встретить повсеместно.

Акселерометр в телефонах и планшетах

Долгое время акселерометры относились к оборудованию, которое не интересно окружающим. С развитием электронных технологий подобная тенденция пошла на убыль, сделав этот прибор известным среди широких масс. В первую очередь этому поспособствовало появление современных смартфонов, в корпусе которых имеется такое устройство.

Именно благодаря акселерометрам при изменении положения экрана смартфон переводит ориентацию изображения с книжной на альбомную. Впервые данный прибор был применен в мобильном телефоне компанией Nokia. Устройство было установлено в телефон Nokia 5500. Помимо переключения ориентации экрана, акселерометры обеспечивают возможность управления в играх, в частности гонках, где для управления транспортом нужно делать уклоны смартфоном.

При изучении инструкции телефонов, планшетов и прочей мобильной компьютерной техники можно увидеть информацию о наличие так называемого G-датчика. Он и есть тот самый акселерометр.

Именно акселерометр позволяет с помощью специального приложения использовать смартфоном в качестве строительного уровня.

Установка в фитнес-браслетах

Также причиной популяризации акселерометра стала мода на фитнес браслеты и умные часы. Данное устройство предназначено в первую очередь для обеспечения реализации функции шагомера. Осуществляя шаги, тело человека придает ускорение инертной массе внутри чувствительного чипа.

Программное обеспечение реагирует на особый тип колебаний, который может возникать на инертной массе только при выполнении шага. В остальных случаях, к примеру, при небольших покачиваниях рукой колебания не засчитываются. Все же обмануть шагомер возможно сделав такое телодвижение, чтобы прибор засчитал его как шаг. Но фактическое количество ложных шагов, которые считаются на протяжении дня, не слишком высокое, что создает минимальную погрешность измерений. Акселерометры у современных даже дешевых шагомеров не реагируют на мелкую встряску, к примеру, если прибор лежит в сумке, а не закреплен на руке.

Применение в видеорегистраторах

Акселерометры можно встретить и в конструкции многих видеорегистраторов. Казалось бы, такое оборудование явно не нуждается в подобном датчике. На самом деле производители регистраторов нашли весьма интересное применение для акселерометра. Он связан с программным обеспечением отвечающим за проведение съемки и сохранение видео данных. Датчик ускорения настроен таким образом, что при появлении неестественных инертных нагрузок, к примеру, при резком торможении или маневре на скорости, подается соответствующий сигнал. В результате видеорегистратор записывает видео в особенный файл. Благодаря этому результаты съемки сохранятся, и прибор не сможет автоматически их удалить, чтобы очистить память для дальнейшей регистрации.

Использование в сфере автомобилестроения

Акселерометр является обязательной частью современного автомобиля, в котором уделяется особое внимание безопасности. В этом случае применяется полноразмерный пьезоэлектрический прибор. Благодаря акселерометру обеспечивается нормальная работа пневмоподвески, круиз-контроля и пр.

Установка для сохранения данных на жестком диске

Винчестеры ноутбуков, нетбуков, а также съемные жесткие диски зачастую имеют в своей конструкции акселерометр. Задача такого датчика заключается, в случае падения компьютера, подать предупредительный сигнал на жесткий диск.  Тот является командой для остановки головок винчестера. Это позволяет предотвратить серьезные повреждения диска и сохранить записанные на нем данные.

Применение в сфере строительства

Также акселерометры применяются в качестве оборудования, которое осуществляет измерение колебаний зданий. Устройство могут использовать как отдельное диагностическое оборудование и как постоянный датчик. Также прибор данной конструкции может применяться для мониторинга систем целостности трубопроводов. С его помощью оценивают и эффективность работы мостов.

Применение в сейсмостанциях

С помощью акселерометра осуществляется фиксация землетрясений. Такие датчики входят в устройство современных сейсмографов. Они отличаются повышенной точностью, что дает возможность определить силу колебаний по шкале Рихтера. Такие приборы отличаются от классического строения акселерометра. Закрепленное тело остается неподвижным, в то время как в результате колебаний двигается только корпус самого устройства.

На сейсмостанциях применяются одноосные акселерометры. Одни применяются только для фиксации горизонтальных колебаний, а другие вертикальных.

Использование в летательных аппаратах

Также акселерометр можно встретить в конструкции беспилотных устройств. Благодаря работе датчика осуществляется контроль плоскости движения аппарата. Это существенно облегчает дистанционное управление, особенно если прибор находится вне предела зоны видимости. Наличие акселерометра позволяет избежать неправильного направления движения аппарата, а также дает ему возможность автоматически вернуться к точке запуска, если управление было потеряно или была нажата соответствующая кнопка.

Поведение в невесомости

Для обеспечения работы акселерометра важно наличие притяжения. Сначала теоретически, а потом и экспериментально на космических станциях было подтверждено, что акселерометры не способны действовать в условиях невесомости. В космосе в любом положении, а также при встряске показания устройства всегда равны нулю. В связи с этим традиционные датчики наклона на основе акселерометра, которые применяются повсеместно, на космических аппаратах совершенно бесполезны.

Причины погрешности прибора

При работе акселерометра могут возникать отклонения показаний его измерения. На это в первую очередь может влиять влажность и температура окружающей среды. Это меняет свойства материалов, которые применяются при изготовлении приборов. Также помехи создает внешнее магнитное поле. Для минимизации его влияния конструкции датчика могут иметь различные технические дополнения. Также погрешность измерений получается в результате вибрации объекта измерения.

Технические особенности устройств

Акселерометры могут отличаться между собой не только по направлению их использования, но и техническими особенностями. При выборе данного устройства, к примеру, при ремонте различного оборудования, которое им уже комплектовалось, стоит отдавать предпочтение аналогичному датчику. Также возможен выбор устройств с более высоким динамическим диапазоном. Этот показатель отражает максимальную амплитуду колебаний, на которую способен отреагировать прибор. Также важным показателем является чувствительность прибора. Различные изделия отличаются между собой по диапазону частоты, которая измеряется в Гц.

Похожие темы:

electrosam.ru

8. Датчики ускорения, вибрации, удара, положения

Отмечалось, что измерение ускорений (акселерометры, гироскопы и пр.) одно из направлений развития МСТ, которое идет очень быстро.

В основе измерений этих параметров лежат фундаментальные законы механики – связь между ускорением, силой и массой. Используют физические явления, позволяющие изучить электрический сигнал, связанный с этими законами.

Чаще всего непосредственно измеряют силу (пьезоэлектрические датчики) или косвенно — по перемещению или деформации чувствительного элемента, причем используют те же емкостные или тензорезистивные преобразователи.

Таким образом, в основе измерений обычно лежат общие принципы, а датчики больше различаются по назначению и условиям использования.

В частности, решают задачи:

1. Измерения ускорений движущихся объектов – самолетов, ракет, наземных или морских средств. Для измерения характерных для них малых ускорений и частот (от 0 до десятков Гц) обычно используют следящие акселерометры и датчики перемещений.

2. Измерения вибрационного ускорения жестких конструкций – до десятков кГц.

3. Измерения ударов – т.е. импульсивных ускорений. Здесь нужны широкополосные датчики.

Принцип действия проще всего проиллюстрировать на примере сейсмического датчика (разумеется, не микросистемного). Он может быть (в зависимости от диапазона частот) датчиком перемещения, скорости или ускорения, которым подвергается корпус прибора (рис. 30).

Рис. 30. Схема механической системы с одной степенью свободы:

1 – корпус; 2 – демпфер; 3 – инертная масса; 4 – устройство измерения перемещений; 5 – пружина.

Любой подобный датчик содержит механическую массу М и элемент, связывающий её с корпусом (кристалл пьезоэлектрика, гибкая пластина (пружина) и устройства преобразования параметров движения в электрический сигнал. Получается механическая система с одной степенью свободы.

h₀ – ордината точки на корпусе (const),

h – ордината точки b на сейсмической массе.

В отсутствии ускорения ординаты a и b совпадают.

Z=h-h₀ – перемещение сейсмической массы при ускорении.

Уравнение равновесия получим из баланса сил:

Cz – сила, возвращающая массу в положении равновесия,

— сила вязкого трения (демпфер),

— сила ускорения массы М.

Уравнение равновесия:

.

Его решение позволяет определить скорость и ускорение при механическом воздействии на корпус прибора.

Акселерометры

1. Одной из первых и простейших является конструкция интегрального балочного акселератора (рис. 31).

Рис. 31. Конструкция интегрального балочного акселерометра:

1 – контактные площадки; 2 – р+ — область; 3 – р – область; 4 – балка; 5 – воздушный зазор; 6 – кремний; 7 – выемка в крышке; 8 – воздушный зазор; 9 – инерционная масса; 10 – токопроводящий клей; 11 – стеклянная крышка.

Конструкция чувствительного элемента выполнена анизотропным травлением монокристалла кремния в плоскости (100). Часть балки 4 является инерционной массой. Она может быть кремневой или утяжелена осажденным металлом. Балка консолью подвешена в кольцевой прямоугольной рамке основания и отделены от него П-образным зазором 5. В консольной части, которая деформируется при ускорениях, сформированы тензорезистивные датчики деформации. Толщина упругой часть балки 10 — 20 мкм. Размеры кристалла 5 × 2.5 × 0.3.

Чувствительность линейного акселерометра с таким чувствительным элементом порядка 10^-2 м/с². Диапазон измерения 0,1 — 500 м/с²; частотный диапазон 0÷100 Гц. Рамка акселерометра защищена сверху и снизу стеклянными крышками.

2. Широко применяется подвес маятника на двух упругих перемычках (торсионах) (рис. 32).

Рис. 32. Гибридный акселерометр компенсационного типа

Так могут выполняться как угловые акселерометры, так и линейные при смещении центра масс маятника относительно оси упругих перемычек. Здесь обычно используются емкостной датчик перемещений маятника, для чего на маятник и корпус прибора нанесены электроды (с зазором до 0.02 мм). При гибридном исполнении такой акселерометр имеет встроенную электронику обратной связи (рис. 33).

Рис. 33. Схема маятникого компенсационного акселерометра с электростатической обратной связью

Переменное напряжение от задающего генератора ЗГ подается в противофазе на неподвижные электроды датчика. Отклонение маятника модулирует это сигнал. Сигнал отклонения снимается с маятника и поступает через усилитель У на демодулятор Д. Обратная связь подается с выхода на одну обкладку подвеса непосредственно, а на другую – через инвертор И. К маятнику подключено также постоянное смещение V₀ электрического подвеса.

Параметры:

Измеряемые ускорения ±35g.

Масштабный коэффициент ~ 1,3 мА/g.

Порог чувствительности ~ 0,5 μg.

Дрейф нуля ~ 10 μg/час.

3. Наконец, возможна подвеска инерционной массы на четырех упругих перемычках (рис. 34) (иногда они попарно располагаются на двух противоположных сторонах пластины, несущей инерционную массу).

Рис. 34. Схема двухосевого чувствительного элемента

На этой подвеске можно делать более чувствительные и точные приборы с несколько меньшими пределами измерения (до 5÷10g). Полоса – до 1000 Гц, точность – до 1% от максимального диапазона. Преобразовывает – как емкостные, так и жидкостные.

4. На подобном чувствительном элементе делают также микромеханические наклономеры (рис. 35).

Подвижная

Рис. 35. Микромеханический наклономер

Наклономеры нужны:

— на транспорте — автомобиль, ж/д вагон;

— оптические инструменты;

— датчики уровня;

— для замены ртутных выключателей;

— в медицине (сердечные датчики и др.).

Закрепление инерционной массы производится на тонких балках в пределах промежутков подвижной массы. Балки получаются длинные (без увеличения габаритов чувствительного элемента). Съем информации производится с помощью тензорезисторов. Принцип работы ясен из рисунка: наклон датчика вызывает S-образные искривления балок. Информация об угле наклона балок может быть извлечена из сигналов двух сенсоров, датчики которых расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Конкретные приборы имеют примерно такие данные:

— подвижная масса – 5×5 мм,

— длина упругой балки – 510 мкм,

— ширина – 7 мкм,

— толщина – 5мкм.

Полный диапазон измеренных углов ± 80º.

Чувствительность ~ 1 мВ/градус наклона.

studfiles.net

Яковлев В.Ф., Афанасенко К.С. Датчики ускорения на автомобилях

Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/08/1267 (дата обращения: 07.02.2019).

УДК 681.3.06

 Вадим Фридрихович Яковлев, доцент

Константин Сергеевич Афанасенко, студент 3-ЭТ-5

Самарский государственный технический университет

Некоторые твердотельные материалы обладают электрической чувствительностью к механическим воздействиям. Такие материалы часто используются для преобразования механических величин в электрические. Их можно разбить на два основных класса: материалы активного типа, в которых приложенная сила генерирует электрический заряд, и материалы пассивного типа, в которых приложенная сила вызывает лишь изменение электрических характеристик материала.

Пьезоэлектрические материалы относятся к первому классу. Они, кроме того, испытывают механическую деформацию под воздействием электрического сигнала. Пьезоэлектрический эффект обусловлен тем, что при искажении несимметричной кристаллической решетки происходит внутреннее перераспределение зарядов, при котором положительные и отрицательные заряды смещаются к противоположным поверхностям кристалла.

К материалам второго типа относятся полупроводниковые тензорезисторы.

Пьезоэлектрические акселерометры широко используются для вибрационных измерений, т.к. это точные, надежные и простые устройства. На рисунке 3 показана базовая конструкция акселерометра, работающая в компрессионном режиме, широко используемая в автомобильной промышленности. Чувствительность автомобильных акселерометров составляет около 20 мВ/g.

Рис.1.Базовая конструкция акселерометра

При деформации пьезокристалла на его гранях появляется заряд, пропорциональный в данном случае ускорению. Рабочий диапазон частот 5…100000 Гц. Для обработки сигнала от пьезоэлектрических датчиков используется усилитель заряда.

Пьезорезистивные акселерометры выпускаются в интегральном исполнении. После принятия мер по термокомпенсации датчики имеют погрешность не хуже 0.5% в температурном диапазоне –40…+110°С.

Акселерометры для воздушных мешков безопасности. Механические датчики должны располагаться не далее 40 см от места удара. Используются обычно 3÷5 датчиков.

Конкретное исполнение датчиков зависит от производителя системы, но все они работают по одному и тому же принципу. В обычных обстоятельствах выходные контакты акселерометра разомкнуты, они замыкаются, когда датчик испытывает отрицательное ускорение в диапазоне 15 – 20 g, что соответствует наезду автомобиля на твердое препятствие со скоростью 12 – 20 миль в час. Существует несколько конструкций акселерометров, применяемых в системах безопасности, рассмотрим некоторые из них.

Акселерометр с постоянным магнитом . Эта механическая конструкция (Рис.2) состоит из чувствительной массы ( металлического шара) , которая прочно удерживается в задней части небольшого цилиндра мощным постоянным магнитом. Во время обычной езды выходные электрические контакты датчика разомкнуты. При столкновении сила инерции металлического шара преодолевает притяжение магнита, шар катится по цилиндру вперед и замыкает контакты, сигнал поступает в ЭБУ.

Рис.2.Акселерометр с постоянным магнитом

Динамические характеристики механических акселерометров описываются дифференциальным уравнением 2-го порядка. Такие параметры, как жесткость пружины, масса шарика, сила притяжения магнита, демпфирование и т.д. должны быть увязаны с динамикой автомобиля при ударе. Эти параметры подбирают под конкретную модель автомобиля с учетом его веса, конструкции корпуса, места расположения датчика.

В последнее время начали применяться интегральные акселерометры на основе полупроводниковых или пьезоэлектрических тензорезисторов. Они более надежны, программируются, их характеристики воспроизводимы с более высокой точностью. Интегральные датчики располагаются примерно в центре салона. Порог срабатывания их ниже, чем для механических из-за амортизации корпуса. Используется один датчик для фронтального удара с диапазоном ±50g. Могут применяться датчики боковых ударов, пьезорестивные или емкостные. Погрешность менее 5%, частотный диапазон 0…750 Гц.

Акселерометры используются также в активной подвеске для определения изменения нагрузки на колеса. Рабочий диапазон ±2g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0…10 Гц.

В некоторых недорогих системах ABS используются акселерометры для определения предельных значений ускорения при которых возможно проскальзывание колес. Рабочий диапазон ±1g, погрешность менее 5%, диапазон частот 0.5…50 Гц.

Датчик детонации

Датчик детонации используется для обнаружения явления детонации при сгорании рабочей смеси в цилиндрах. Контроль за детонацией особенно актуален в современных двигателях с высокой компрессией, так как для их эффективной работы угол опережения зажигания в них близок к предельному, за которым начинается детонация.

Обнаружение детонации можно производить различными способами: измерением давления непосредственно в цилиндре, измерением ионизационного тока через электроды свечи после воспламенения и т.д. На практике используется метод измерения вибрации цилиндров с помощью пьезоэлектрического датчика детонации. На рисунке 3 схематично показан датчик детонации . Датчик выполнен таким образом, что его резонансная частота совпадает с частотой детонации двигателя (обычно в диапазоне 6…12 кГц). Датчик закрепляется на блоке цилиндров и реагирует даже на слабую детонацию.

Рис.3.Датчик детонации. 1 – пьезоэлемент, 2 – шунтирующий резистор

При появлении детонации вибрация двигателя приводит к генерации сигнала на выходе датчика (Рис.4). ЭБУ двигателя фильтрует сигнал с датчика детонации, производит аналого-цифровое преобразование. После момента зажигания (вероятное время появления детонации) производится сравнение сигнала с датчика детонации с заданным уровнем (Рис.5). При обнаружении детонации ЭБУ уменьшает угол опережения зажигания во всех цилиндрах или только в одном. При выходе датчика детонации из строя ЭБУ устанавливает безопасное значение угла опережения зажигания. При исчезновении детонации ЭБУ начинает постепенно увеличивать угол опережения до появления детонации и т.д. Таким образом, ЭБУ удерживает двигатель в эффективном режиме работы на грани детонации, но без опасности поломок и выхода из строя.

Рис.4.Выходной сигнал датчика детонации

Рис.5.Определение детонации

Литература

1. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф.Новейшие автомобильные электронные системы.  М.: Солон-Пресс, 2005. 256 с.

2. Ютт В.Е., Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. М.: Транспорт, 2003. 365 с.

3. Ribbens W. B. Understanding automotive electronics.Burlington,USA: Newnes publications, 2009. 481 с.

Все статьи автора «Яковлев Вадим Фридрихович»

technology.snauka.ru

Тема 7. Датчики перемещений, положения, уровня, ускорения.

Датчики перемещений, положения, уровня: потенциометрические, гравитационные, ёмкостные, индукционные и магнитные датчики, оптические, ультразвуковые. Датчики толщины и уровня. Пьезорезистивные, пьезоэлектрические и емкостные датчики ускорения.

Датчик перемещения — это прибор, предназначенный для определения величины линейного или углового механического перемещения какого-либо объекта. Все датчики перемещения можно разделить на две основных категории датчики линейного перемещения и датчики углового перемещения.

По принципу действия датчики перемещения могут быть: емкостными, оптическими, индуктивными, вихретоковыми, ультразвуковыми, магниторезистивными, потенциометрическими, магнитострикционными и датчики на основе эффекта Холла.

Емкостные датчики перемещения. В основе работы датчиков данного типа лежит взаимосвязь емкости конденсатора с его геометрической конфигурацией. В простейшем случае речь идет об изменении расстояния между пластинами вследствие внешнего физического воздействия.

Индуктивные датчики перемещения. В одной из конфигураций датчика данного типа чувствительным элементом является трансформатор с подвижным сердечником. Перемещение внешнего объекта приводит к перемещению сердечника, что вызывает изменение потокосцепления между первичной и вторичной обмотками трансформатор.

Вихретоковые датчики перемещения. Датчики данного типа содержат генератор магнитного поля и регистратор, с помощью которого определяется величина индукции вторичных магнитных полей. Вблизи интересующего объекта генератор создает магнитное поле, которое, пронизывая материал объекта, порождает в его объеме вихревые токи, которые, в свою очередь, создают вторичное магнитное поле.

Ультразвуковые датчики перемещения. В ультразвуковых датчиках реализован принцип радара – фиксируются отраженные от объекта ультразвуковые волны, поэтому структурная схема обычно представлена источником ультразвуковых волн и регистратором, которые обычно заключены в компактный корпус.

Магниторезистивные датчики перемещения. В магниторезистивных датчиках перемещения используется зависимость электрического сопротивления магниторезистивных пластинок от направления и величины индукции внешнего магнитного поля.

Датчики на основе эффекта Холла. Датчики этого типа имеют конструкцию подобную конструкции магниторезистивных датчиков, однако в основу их работы положен эффект Холла — прохождение тока через проводник, на который воздействует внешнее магнитное поле, приводит к возникновению разности потенциалов в поперечном сечении проводника.

Потенциометрические датчики перемещения. Датчик данного типа в своей основе имеет электрический контур, содержащий потенциометр. Линейное перемещение объекта приводит к изменению сопротивления потенциометра (переменного резистора).

Датчик движения представляет собой устройство, при помощи которого в зоне обнаружения можно определить движение объекта. Применяются такие приборы в охранной сигнализации (в таком случае они имеют название инфракрасных извещателей), а также в быту – для автоматического включения освещения. Мы рассматриваем датчики, которые используются в системах охранной сигнализации.

Виды датчиков движения.

По принципу действия:

• инфракрасные;

• ультразвуковые;

• радиоволновые;

• совмещенные.

По конструкционным особенностям:

• 1-позиционные. Когда приемник и передатчик расположены в одном блоке;

• 2-х позиционные. Передатчик и приемник – в разных блоках;

• многопозиционные. Когда в системе находится больше двух блоков приемников и передатчиков.

Датчики движения бывают:

• активные датчики движения. В этом случае используется передатчик, который излучает один или несколько инфракрасных лучей, и приемник, который их улавливает. В случае пересечения человеком лучей, выдается соответствующий сигнал;

• пассивные датчики движения. Передатчика нет, есть приемник ИК излучения человека, который реагирует на тепло и выдает соответствующий сигнал на выходное реле. В низкочастотной области (в полосе частот порядка 1 Гц) довольно хорошую точность измерений обеспечивают датчики положения и перемещения объектов. В зоне средних частот (менее 1 кГц) уже предпочтительнее использовать датчики скорости. Тогда как на высоких частотах, когда перемещения соизмеримы с уровнем шума, применяются датчики ускорения. Как правило, применяется метод сравнения с эталонными величинами. Принцип действия таких детекторов часто основан на измерении перемещений объекта относительно некоторого эталонного объекта, который часто входит в состав самого детектора. Поэтому чувствительный элемент, реагирующий на перемещение объекта, является одним из компонентов многих датчиков скорости и ускорения. Иногда таких элементов в составе датчиков скорости и акселерометров нет, поскольку они сами преобразуют свое движение в электрические сигналы. Например, в соответствии с законом Фарадея, магнит, двигающийся в катушке индуктивности, приводит к возникновению в ней напряжения. Это напряжение пропорционально скорости движения магнита и силе поля. Линейные датчики скорости построены на принципе магнитной индукции.

Акселерометры считаются устройствами с одной степенью свободы. В состав всех акселерометров входят: специальный элемент, называемый инерционной массой, движение которого отстает от движения корпуса, упругая поддерживающая система (пружина) и демпфирующее устройство.

По конструктивному исполнению акселерометры подразделяются на

однокомпонентные, двухкомпонентные, трехкомпонентные. Соответственно, они позволяют измерять ускорение вдоль одной, двух и трех осей.

Пьезоэлектрический акселерометр.

Чувствительным элементом пьезорезистивных акселерометров является тензодатчик, измеряющий деформацию пьезорезистивных элементов, поддерживающих инерционную массу, путем измерения их сопротивлений, зависящих от степени деформации. Эта деформация пропорциональна величине и скорости перемещения массы, а значит и ускорению. Такие устройства могут измерять ускорения в широком частотном диапазоне: 0…13 кГц. При разработке соответствующей конструкции пьезорезистивные акселерометры выдерживают перегрузку, равную 10000g.

Пьезоэлектрический акселерометр.

В основе пьезоэлектрических акселерометров лежит пьезоэлектрический эффект, заключающийся в прямом преобразовании механической энергии в электрическую в материалах, имеющих кристаллическую структуру с электрическими диполями. Для улучшения частотных характеристик пьезоэлектрический сигнал усиливается при помощи преобразователей заряд-напряжение или ток-напряжение. Эти датчики работают в широком температурном диапазоне (до 120 градусов по С) с высокой линейностью в частотном диапазоне 2 Гц до 5 кГц.

Емкостные акселерометры.

Емкостной метод преобразования перемещений в электрический сигнал является самым проверенным и надежным. Емкостной датчик ускорений состоит, по крайней мере, из двух пластин: стационарной, часто соединенной с корпусом, и свободно перемещающейся внутри корпуса, к которой подсоединена инерционная масса. Эти пластины формируют конденсатор, величина емкости которого зависит от расстояния между ними, а значит и от ускорения движения, испытываемого датчиком. Максимальное перемещение, определяемое емкостным акселерометром, редко превышает 20 мкм. Следовательно, в таких датчиках всегда необходимо компенсировать дрейф различных параметров, а также подавлять всевозможные помехи. Поэтому обычно акселерометры имеют дифференциальную структуру, для чего в их состав вводится дополнительный конденсатор, емкость которого должна быть близка к емкости основного конденсатора. При этом напряжения на конденсаторы подаются со сдвигом фаз 180°. Тогда величина ускорения датчика будет пропорциональна разности значений емкостей конденсаторов.

studfiles.net