Один. Что такое акселерометр?

Акселерометр - это устройство для обнаружения структурных колебаний или ускорений движения. пьезоэлектрический материал "сжат" вибрацией или изменением движения (ускорение), создавая заряд, пропорциональный приложенным к нему силам. заряд связан с ускорением, потому что заряд пропорционален силе, масса постоянна. Почти все телефоны имеют акселерометры. Вы можете использовать его, чтобы увидеть, движется ли телефон в определенном направлении, и именно так работает функция автоматического освещения при повороте телефона. Акселерометры могут помочь инженерам понять стабильность машины, одновременно обнаруживая силы или вибрации, которых не должно быть в промышленной среде.
Два. Как работает акселерометр?

Акселерометр используется для определения того, является ли сила статической или динамической. Постоянная сила, применяемая к объекту, такая как гравитация или трение, называется статическим ускорением. Эти факторы в значительной степени предсказуемы и согласованы. Например, поскольку ускорение гравитации постоянно находится на уровне 9,8 м / с, гравитация практически одинакова в любой точке земного шара.

Вибрация и удар являются двумя примерами неравномерного динамического ускорения. Авария является хорошим доказательством динамического ускорения. Изменение ускорения здесь является внезапным по сравнению с предыдущим состоянием. Акселерометр работает, чтобы обнаружить ускорение и преобразовать его в измеримое количество, такое как электрические сигналы.

 

Три. Сколько типов акселерометров?
Акселерометры делятся на четыре типа в соответствии с принципом их работы:
1. пьезоэлектрический акселерометр

Диаграмма 1

пьезоэлектрические эффекты пьезоэлектрических кристаллов используются в пьезоэлектрических акселерометрах.

Когда некоторые кристаллы деформируются силой в определенном направлении, происходит внутренняя поляризация и на обеих поверхностях образуется заряд противоположного символа; Когда внешние силы удаляются, кристалл возвращается в состояние, которое не заряжено. « пьезоэлектрический эффект» - это название этого явления.
пьезокристаллы - это кристаллы с « пьезоэлектрическим эффектом». Обычно используются кварц, пьезоэлектрическая керамика и другие пьезокристаллы.

Рисунок 2:
При вибрации акселерометра изменяется сила, приложенная массой к пьезоэлектрическим элементам. Когда измеренная частота вибрации значительно ниже собственной частоты акселерометра, изменение силы пропорционально зарегистрированному ускорению.

Рисунок 3 Структура пьезоэлектрического акселерометра
Буква S означает весну. M означает качество. Буква B означает базовую величину. R - это зажимное кольцо, а P - пьезоэлектрический элемент.

На рисунке a показан тип сжатия с системой пружин массы пьезоэлектрических элементов центрального позиционирования, установленной на круглой центральной колонне, которая соединяется с конечным сиденьем. Резонансная частота этой структуры довольно высока. Однако, когда база B подключена к объекту тестирования, деформация базы B напрямую влияет на выход вибрационного искателя. Изменения температуры объекта и окружающей среды также влияют на пьезоэлектрические элементы и изменяют предварительно загруженную силу, что приводит к дрейфу температуры.

Кольцевой сдвиг показан на рисунке B, где пьезоэлектрические элементы прикрепляются к центральной колонне треугольника через зажимное кольцо. Когда акселерометр сталкивается с осевой вибрацией, пьезоэлектрический элемент подвергается сдвиговому напряжению. Эта структура обеспечивает большую деформацию фундамента и изоляцию изменения температуры, а также высокую резонансную частоту и сильную линейность.

На рисунке C показана простая форма треугольного сдвига, которая может быть преобразована в крошечный высокорезонансный акселерометр. Кольцевые массивные блоки соединяются с кольцевыми пьезоэлектрическими элементами центральной колонны. Поскольку клей смягчается с повышением температуры, максимальная рабочая температура ограничена.

Большой динамический диапазон, широкий диапазон частот, прочный, уменьшающий внешние помехи, а также сам пьезоэлектрический материал, генерирующий зарядные сигналы без какого - либо внешнего источника питания, являются характеристиками пьезоэлектрического акселерометра. Это самый распространенный вибрационный датчик на рынке.

Хотя пьезоэлектрический акселерометр имеет простую структуру и долгую историю коммерческого использования, его показатели производительности тесно связаны с материальным имуществом, проектированием и процессом обработки, поэтому фактические параметры производительности, стабильность и согласованность аналогичных датчиков на рынке сильно различаются. Основным недостатком пьезоэлектрических акселерометров по отношению к акселерометрам с сопротивлением давлению и конденсаторами является то, что они не могут измерять импульсы нулевой частоты.

2. Датчик ускорения с сопротивлением давлению
Первым кремниевым микроакселерометром был акселерометр с сопротивлением давлению (основанный на технологии микрообработки кремния MEMS). эластичные элементы акселерометра с сопротивлением давлению обычно состоят из кремниевой балки и массивного блока, который поддерживается консольной балкой и помещается на консольную балку. Чтобы измерить мост, сделайте резисторы и соедините их. Массовые блоки перемещаются вверх и вниз из - за инерции, а сопротивление на консольной балке изменяется под действием напряжения, что приводит к изменению выходного напряжения измеренного моста, что позволяет измерять ускорение.

Рисунок 4 Схема акселерометра с сопротивлением давлению
Силиконовые микроакселерометрические датчики сопротивления давлению имеют различные структурные конфигурации, в том числе консольные балки, двухплечевые балки, четыре балки и пять балок с двойным островом. Чувствительность, частотная реакция, диапазон и другое имущество датчика определяются структурой и размером эластичного элемента. При снижении ускорения массивный блок может увеличить натяжение на консольной балке и повысить чувствительность датчика на выходе.

При высокой скорости добавления действие массивного блока может привести к тому, что напряжение консольной балки превысит напряжение текучести, что приведет к разрыву консольной балки из - за чрезмерной деформации. Таким образом, для ускорения с высоким значением gn была предложена конструкционная форма одноруких и двухруких балок с равной толщиной блока массы и балки, как показано на рисунке.

Рисунок 5 Двусторонняя балка
Акселерометр с сопротивлением давлению основан на ведущей в мире технологии микрообработки кремния MEMS и имеет преимущества небольшого размера и низкого энергопотребления. Он легко интегрируется в различные аналоговые и цифровые схемы и обычно используется в таких приложениях, как краш - тесты автомобилей, испытательные приборы и мониторинг вибрации оборудования.

Чувствительное ядро акселерометра с трансформаторным сопротивлением состоит из датчика, известного как измерительный мост сопротивления, конструкционная динамическая модель которого по - прежнему представляет собой систему пружины - массы.
С развитием современных технологий микропроизводства чувствительные к форме сердечники с сопротивлением давлению теперь могут быть спроектированы с большой гибкостью для удовлетворения различных требований к измерениям. Диапазон чувствительности акселерометра с сопротивлением давлению варьируется от низкой чувствительности и высокого диапазона ударных показаний до высокочувствительных низкочастотных наблюдений.
В то же время частотный диапазон измерений акселерометра с сопротивлением давлению может варьироваться от сигнала до высокочастотных измерений с высокой жесткостью и измеряться в диапазоне десятков кГц. Датчики сопротивления давлению также известны своей сверхминиатюризированной конструкцией. Следует отметить, что, хотя датчики с сопротивлением давлению имеют много общего с точки зрения проектирования и применения, они, как правило, имеют более узкую сферу применения для одной конструкции, чем пьезоэлектрические датчики.

Еще одна проблема с датчиками ускорения с сопротивлением давлению заключается в том, что на них влияет высота температуры, которая требует терморегуляции в большинстве реальных датчиков. С точки зрения себестоимости, производство датчиков сопротивления давлению, которые широко используются, будет более дешевым, а стоимость изготовления чувствительных сердечников для уникальных применений будет значительно выше, чем у датчиков пьезоэлектрического ускорения.

 

Рисунок 6
3. Конденсаторный акселерометр
Конденсаторный акселерометр использует концепцию емкости для обеспечения полярных переменных конденсаторных датчиков. Один электрод статичен, а другой изменяет эластичную диафрагму. Когда эластичная диафрагма перемещается внешними силами (давление воздуха, гидравлика и т. Д.), емкость изменяется. Этот датчик может измерять скорость вибрации (или ускорение) воздушного потока (или потока жидкости), а также давление.

Рисунок 7 Схема конденсаторного акселерометра
Структура схемы проста, диапазон частот широк, около 0450 Гц, линейность менее 1%, высокая чувствительность, надежный выход, температурный дрейф ограничен, погрешность измерения мала, устойчивое реагирование, выходное сопротивление низкое, выходная мощность эквивалентна. Относительный расчет вибрационного ускорения прост, удобен, интуитивно понятен, имеет широкий спектр применений.
Однако, поскольку вход и выход сигнала нелинейны, ограничены и зависят от емкости кабеля, а конденсаторные датчики являются источниками сигналов с высоким сопротивлением, выходной сигнал конденсаторных датчиков часто необходимо улучшать с помощью последующих цепей. Конденсаторные акселерометры обычно используются для низкочастотных измерений в практических применениях и менее адаптивны, чем пьезоэлектрические акселерометры, и стоят намного дороже.

Рисунок 8
Конденсаторный акселерометр / конденсаторный акселерометр является широко используемым акселерометром. В некоторых отраслях, таких как подушки безопасности, мобильные телефоны и мобильные устройства, нет подобных продуктов. Микромеханические системы (MEMS) используются для конденсаторных акселерометров / конденсаторных акселерометров. Он рентабельен в массовом производстве и обеспечивает снижение затрат.

4. Сервоакселерометр
Когда блок массы отклоняется от статического равновесия из - за ускорения, входящего через корпус акселерометра, датчик смещения обнаруживает сигнал смещения, усиливает его через сервопривод и выводит ток, который протекает через электромагнитную катушку и входит в магнитное поле постоянного магнита. Электромагнитная устойчивость генерируется в центре, заставляя блок массы вернуться в исходное статическое равновесие; Акселерометр находится в замкнутом цикле, и датчик посылает аналоговый сигнал, пропорциональный значению ускорения.

Рисунок 9 Схема сервоакселерометра
Сервоакселерометр - это замкнутая тестовая система с сильными динамическими характеристиками, большим динамическим диапазоном и хорошей линейностью. Идея его работы заключается в том, что вибрационная система датчика состоит из системы « mk», которая похожа на традиционный акселерометр, но имеет электромагнитную катушку, связанную с массой m. При ускорении базы массивный блок отклоняется от равновесного положения, смещение определяется усилением сервоусилителя, Датчики смещения обнаруживают его и преобразуют в выход тока. Сервоакселерометр работает в замкнутом кольце, так как ток проходит через электромагнитную катушку и создает электромагнитную устойчивость в магнитном поле постоянного магнита, пытаясь сохранить блок массы в исходном равновесии в корпусе прибора.
Благодаря эффекту обратной связи улучшена антиинтерференционная способность, улучшена точность измерений и расширен диапазон измерений. Инерционные навигационные и инерциальные системы наведения, а также высокоточные измерения и калибровка вибрации используют технологию измерения сервопривода.

5. Трехосный акселерометр
Он также основан на принципе ускорения. Ускорение - это вектор в пространстве. С одной стороны, компоненты на трех осях координат объекта должны быть измерены, чтобы точно понять его состояние движения; С другой стороны, в данном случае для обнаружения сигналов ускорения используются только трехосные датчики ускорения.
Трехосный акселерометр может достигать наклона на 90 градусов по двум осям или 0 - 360 градусов по двум осям, поскольку он также основан на теории гравитации. После корректировки точность одноосного акселерометра выше. Угол измерения более 60 градусов.
Принцип работы трехосных акселерометров с сопротивлением давлению, пьезоэлектричеством и конденсаторами используется в большинстве современных трехосных акселерометров. Полученное ускорение пропорционально изменениям сопротивления, напряжения и емкости и собирается с помощью схем усиления и фильтрации.
Трехосный акселерометр, небольшой по размеру и легкий по весу (г), может отслеживать ускорения в пространстве и полностью и точно отражать характеристики движения объекта. Его используют аэрокосмическая промышленность, роботы, автомобили и медицина.

Четыре. Основные виды применения акселерометра

Акселерометры широко используются в жизни и промышленности.
Цифровые устройства: акселерометры в смартфонах и цифровых камерах используются для автоматического вращения дисплея в соответствии с направлением дисплея.

Транспортные средства: изобретение подушек безопасности на протяжении многих лет спасло миллионы жизней. Во время сильного удара датчик обеспечивает сигнал, который акселерометр может использовать для запуска подушки безопасности.
Беспилотник: акселерометр помогает беспилотнику оставаться в курсе во время полета.
вращающийся механизм: акселерометр обнаруживает колебания в вращающемся механизме.
Промышленная платформа: Проверьте стабильность или наклон платформы.

Мониторинг вибрации: движущаяся машина производит вибрации, которые могут быть вредны для машины, если мониторинг не осуществляется. Акселерометры все чаще используются на промышленных заводах, турбинах и в других местах для обнаружения вибраций.

Пять. рабочий параметр акселерометра
Осторожно.
Чувствительность измеряется в милливольт / г выходного напряжения или мв / г. Например, 100 мВ / г означает, что ускорение 1 г создает напряжение 100 мВ. Напряжение будет чередоваться по частоте вибрации, амплитуда сигнала переменного тока будет соответствовать амплитуде наблюдаемой вибрации, и спектр вибрационного сигнала всегда будет отображаться.

Частотная реакция
Максимальная дисперсия чувствительности в частотном диапазоне выражается параметрами частотной реакции. Примечательно, что как номинальная, так и фактическая чувствительность датчика оцениваются на определенной частоте. Большинство промышленных датчиков используют калиброванную эталонную частоту 159.15 Гц. Параметры частотной реакции представлены в 3 дБ или в положительном или отрицательном процентах (например, 5% или 10%). Когда частотный диапазон находится в пределах предоставленного процентного диапазона, положительные и отрицательные проценты означают, что чувствительность будет находиться в пределах указанного процентного диапазона. Диапазон 3dB обычно используется для военных или научных нужд; В то время как 3dB составляет около 30%, 3dB - около 30%.

чувствительность к выходу температуры
Изменение выходного напряжения при изменении температуры. Схема акселерометра независима от схемы управления температурой. Температурная цепь питается тем же источником питания, что и акселерометр с внутренним усилением. Схема управления температурой "смещает" напряжение питания к напряжению, соответствующему температуре корпуса акселерометра.

Мощность, напряжение
Максимальное и минимальное входное напряжение пользователя для датчика имеет решающее значение; Перенапряжение может повредить датчик. Вибрационные сигналы усилителя, превышающие максимальную пиковую амплитуду выше, могут перегружать усилитель при напряжении питания, что приводит к плохим характеристикам усилителя и искажениям сигнала.

Источник питания, постоянный ток
Чтобы предотвратить повреждение усилителя, необходимо регулировать входной ток, который обычно достигается постоянным потоком (CCD) в источнике питания сборщика данных или анализатора. Смещение выходного напряжения (БОВ) от напряжения входного источника питания "смещение" до заданного уровня; Нормальный диапазон хорошего датчика BOV обычно является номинальным значением 2V, указанным в таблице данных.

Диапазон температур
Установлены максимальная и минимальная температура хранения, а также температурный диапазон, в котором работает датчик. Температура выше установленной может вызвать длительные повреждения. Как правило, кратковременное воздействие температуры за пределами заданного диапазона не наносит ущерба датчику.

резонансная частота
Резонансная частота - это частотная точка в частотном отклике акселерометра, соответствующая выходу максимальной чувствительности в Герц (Гц), которая является результатом внутреннего резонанса собственной механической структуры датчика.

Электрические шумы
Схема усилителя генерирует этот электронный шум. « Широкополосный» или « спектральный » шум - это два типа шума. Широкополосные измерения - это измерения общей энергии шума на заданной полосе пропускания (обычно от 2 до 25 000 Гц). Эквивалентная вибрационная единица « г» может использоваться для обозначения спектрального шума, который является шумом, измеренным на определенной частоте. Измеренный шум обычно уменьшается с увеличением частоты. С другой стороны, низкочастотные шумы более вредны, чем высокочастотные, поскольку более низкие измерения ускорения обычно связаны с более низкими частотами.

Пиковая амплитуда
До искажения усилителя из - за перегрузки максимальная амплитудная вибрация, которую может измерить датчик, определяется пиковой амплитудой.
Чувствительность датчика, напряжение питания и BOV датчика влияют на пиковую амплитуду. Это относится ко всем типам двухпроводных датчиковШесть. Монтаж акселерометра

Измерения проводятся с помощью акселерометра, и для того, чтобы данные были точными и простыми в использовании, их можно установить несколькими способами. Есть несколько приложений на ваш выбор.
1. Установка винтов

Его частотная реакция может быть размещена винтом, приближенным к первоначальной калиброванной частотной реакции, которая называется жесткой установкой. На измеряемом объекте винт устанавливается для бурения скважин и нарезок вдоль оси источника вибрации, что позволяет сверлить скважины.

2. Установка клея
Когда бурение скважины невозможно, можно использовать различные связующие вещества, такие как « 502», эпоксидный клей, двухсторонняя лента и пластификатор. Примечательно, что первые два метода используют частоту, аналогичную жесткому методу установки, а последние два метода обычно используются в низкочастотном поле и значительно уменьшают частоту, которую нужно записывать. Метод сцепления не эффективен для измерения удара.

3.Магнитное основание
Магнитный фундамент имеет преимущество не разрушать измеренные объекты и портативность. Тем не менее, следует отметить, что использование магнитного базисного теста ограничивает частотную реакцию акселерометра менее чем на одну треть (магнитное основание должно быть удалено с короткозамкнутой детали при использовании!). При использовании магнитное основание сначала помещается на объект, подлежащий измерению, затем прикручивается датчик или и то и другое мягко адсорбируется к объекту. Датчик получит заряд от удара, который повлияет на точность тестирования.

4. Слюдяная пластина / тетрафтортовая пленка
Слюдяная пластина устанавливается для двух целей: теплоизоляции и изоляции. Слюдяная пластина толщиной 0,1 мм может использоваться в высокотемпературных образцах, хотя частотная реакция акселерометра несколько снижается. ТФУ и ТФУ идеально подходят для изоляции образцов от акселерометров.

5. Установка тройных датчиков
Для установки отверстий винта, боковых резьб для проверки или тестирования.