Характеристики акселерометров (чувствительность, масса и динамический диапазон
Основным параметром акселерометра нормально считается чувствительность. Идеальным являлся бы акселерометр, отдающий электрический сигнал с возможно большой амплитудой.
Однако, уже на данном месте необходимо идти на компромисс, так как с большой чувствительностью нормально связана необходимость в относительно размерном пьезоэлементе и, следовательно, в увеличении размеров и собственной массы акселерометра.
В нормальных областях применения чувствительность акселерометра не является критическим параметром, так как современные предусилители рассчитаны на усиление сигналов с малыми амплитудами.
Собственная масса акселерометра становится важным параметром при измерении и анализе механических колебаний легких объектов. Образуемая акселерометром дополнительная масса может значительно влиять на амплитуду и частоту измеряемых и анализируемых колебаний.
За общее правило можно взять, что собственная масса акселерометра не должна превышать одну десятую динамической массы объекта, на котором он закреплен.
Рабочий динамический диапазон акселерометра необходимо учитывать при измерении и анализе механических колебаний с очень малыми или очень большими амплитудами ускорения.
Показанный на рисунке нижний предел рабочего динамического диапазона нормально не определяется непосредственно акселерометром, а скорее воспринимаемым и генерируемым соединительными кабелями и усилительными каскадами электрическим
шумом. При применении виброизмерительной аппаратуры общего назначения этот нижний предел нормально порядка 1/100 м/с 2 .
Верхний предел рабочего динамического диапазона акселерометра определяется прочностью его конструкции. Характеристика типичного акселерометра общего назначения линейна до 50000—100000 м/с 2 , т. е. до области амплитуд механических ударов. Специальные акселерометры, предназначенные для измерения и анализа механических ударов, линейны до 1000 км/с 2
(100 000 g).
Рабочий частотный диапазон акселерометров
Энергия механических колебаний, генерируемых механическими системами, обычно сосредоточена в относительно узком диапазоне частот, простирающемся от 10 до 1000 Гц. Однако, измерению и анализу нормально подлежит диапазон с верхним пределом около 10 кГц, так как частоты некоторых составляющих механических колебаний могут находиться в области более высоких и высоких частот. Следовательно, рабочий частотный диапазон используемого акселерометра должен перекрывать частотный диапазон измеряемых и анализируемых колебаний.
Нижний предел рабочего частотного диапазона акселерометра на практике определяется двумя факторами. Первым из них является нижняя частота среза используемого вместе с акселерометром усилителя. Отметим, что нижняя частота среза современных усилителей намного меньше 1 Гц и она не является важной причиной затруднений. Вторым фактором является влияние изменений температуры окружающей среды, к которым все акселерометры более или менее чувствительны. Современные акселерометры, пьезоэлемент которых работает под срезывающим усилием, минимально чувствительны к изменениям температуры, так что их можно применять в нормальных условиях окружающей среды при измерениях в частотном диапазоне с нижним пределом ниже 1 Гц.
Верхний предел рабочего частотного диапазона акселерометра определяется резонансом его системы масса — пружина.
Эмпирическим правилом можно принять, что погрешность измерения составляющих механических колебаний с частотами вблизи верхнего предела рабочего частотного диапазона акселерометра, равного 1/3 его резонансной частоты, не будет превышать + 12%.
Резонансная частота малогабаритных акселерометров, отличающихся малой собственной массой, доходит до 180 кГц, в то время как резонансная частота акселерометров общего назначения находится в области 20—30 кГц.
Акселерометр - это прибор для измерения ускорения(перегрузок), возникающего на летательных аппаратах, ракетах, самолетах и других движущихся объектах, при использовании машин, двигателей и т.д.
Акселерометры состоят из инерционной массы, которая с помощью упругих элементов подвеса поставлена в корпус. Реализация выходного сигнала и принципа измерения обеспечивается преобразователями перемещений, деформацией сил и электроникой. Конструкторский узел, включающий в себя инерционную массу и подвес с элементами крепления, можно определить как чувствительный элемент акселерометра.
Акселерометры делятся на два вида, по виду движений инерциальных масс. Делятся на:осевые и маятниковые.
Маятниковые акселерометры называют угловыми, поскольку конструкция упругого подвеса обеспечивают угловое движение инерционных масс.
А в осевых акселерометрах конструкция упругого подвеса обеспечивается прямолинейным движением инерционных масс.
У акселерометров выделяют ось чувствительности и перпендикулярные к ней оси. Ось чувствительности - это ось, в направлении которой возможно перемещение инерционных масс. Акселерометры с одной осью подвеса называют однокомпонентными. А в одном корпусе могут быть чувствительные элементы с разным направлением осей чувствительности.
С помощью акселерометров возможно измерение линейного и углового ускорения. В линейных акселерометрах ось чувствительности параллельна вектору измеряемого ускорения. В акселерометрах для измерения углового ускорения она должна быть параллельна вектору линейного ускорения, являющегося следствием углового ускорения
пьезоэлектрический акселерометр дешифратор преобразователь
Пьезоэлектрический акселерометр является вибродатчиком и в текущее время он применяется практически во всех областях измерения и анализа механических колебаний.
Пьезоэлектрические акселерометры имеют широкие рабочие частоты и динамические диапазоны, линейные характеристики, прочную конструкцию, надежность и долговременная стабильность параметров. Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.
Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения.
На частотах значительно меньших резонансной частоты общей системы масса -- пружина ускорение массы акселерометра идентично ускорению его основания и, следовательно, отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.
Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:
§ Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;
§ Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.
Акселерометры АВС 127
Пьезоэлектрические акселерометры АВС 127 предназначены для измерения вибрационных и ударных ускорений летательных аппаратов ракетно-космической и авиационной техники, в автомобильной и других видах промышленности для тестовых испытаний конструкций, машин и механизмов.
Отличительные особенности акселерометров АВС 127 -- высокая собственная частота, вибропрочность и надежность.
Ряд АВС имеет пять модификаций. Внешний вид акселерометра показан на рис.
Основные технические характеристики:
Основные характеристики приведены в табл. 5.11
Основная погрешность, % 4
Нелинейность амплитудной характеристики, % не более 3
Относительный коэффициент поперечного преобразования, %
не более 5
Коэффициент чувствительности к электрическим полям, %*м/В 10-5
Коэффициент чувствительности к акустическим воздействиям
(при 160 дБ, 20 Гц... 10 кГц), %/кПа 0,05
Емкость, пФ 4500±700
Сопротивление изоляции, МОм не менее 100
Ресурс работы, ч 10000
Срок хранения, год 12
Габаритные размеры приведены на рис. 5.81 Условия эксплуатации:
температура окружающей среды, °С --196... +200
Акселерометры АВС 127 являются датчиками общего назначения. Чувствительный элемент акселерометров работает на растяжение-сжатие. Конструкция акселерометра показана на рис. 5.20,в и описана на стр. 412.
Типовые зависимости коэффициента преобразования от частоты и от температуры даны на рис. 5.84, а на рис. 5.28 -- схема соединений акселерометра.
Корпус изготовлен из сплава ВТ1-0. Крепление резьбовое при помощи хвостовика М12хО,75 или шпилька М5. Рекомендуемый тип преобразователя указан в табл. 5.11.
|
Характеристика |
Шифр акселерометра |
|||
|
Верхний предел диапазона измере- |
||||
|
Вибрации |
||||
|
Частотный диапазон, Гц |
||||
|
Коэффициент преобразования по заря- |
||||
|
ду, пКл*с2/м |
||||
|
Собственная частота, кГц, не менее |
||||
|
Деформационная чувствительность |
||||
|
(250 мstr на установочной плоскости), |
||||
|
Магнитная чувствительность (номиналь- |
||||
|
ное значение 0,03 Тл, 50 Гц), м*с-2/Тл |
||||
|
Масса (без кабеля), кг, не более |
||||
|
П120-08, СС9НФ |
||||
Типовые зависимости коэффициента преобразования от частоты и температуры акселерометров: 1 -- АВС 127; 2 -- АВС 127-01; 3 -- АВС 127-02; 4 -- АВС 127-03
Общие сведения
Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена–качество».
Рис. 1. Диаграмма «цена–качество» для различных типов акселерометров
Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные.
Таблица 1. Сравнительные характеристики акселерометров
Пленочные пьезоэлектрические акселерометры
Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения - схемы управления надувными подушками безопасности.
Объемные интегральные акселерометры
Примером объемного датчика может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor , предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом (рис. 2). Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края (точки f на рис. 2). Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.
Рис. 2. Интегральный акселерометр объемной конструкции
Поскольку к надежности системы управления надувными подушками безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомобиля с препятствием.
Рис. 3. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения
Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, - не менее 10 кГц.
Рис. 4. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50
Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию . На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом - схема обработки сигнала.
Поверхностные интегральные акселерометры
Компания Analog Devices изготавливает семейство акселерометров ADXLххх поверхностной конструкции. Первым в этом семействе идет ADXL50, серийный выпуск которого был начат в 1991 г.
Весь кристалл акселерометра размером 3,05 3,05 мм занят главным образом схемами формирования сигнала, которые окружают миниатюрный датчик ускорения размером 1ґ1 мм, расположенный в его центре. Датчик представляет собой дифференциальную конденсаторную структуру с воздушным диэлектриком, обкладки которого вырезаны (вытравлены) из плоского куска поликремниевой пленки толщиной 2 мкм. Неподвижные обкладки этого конденсатора представляют собой простые консольные стержни, расположенные на высоте 1 мкм от поверхности кристалла в воздухе на поликремниевых столбиках-анкерах, приваренных к кристаллу на молекулярном уровне.
На рис. 3 показан основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика. Фактически датчик имеет 54 элементарных ячейки для измерения ускорения, но для простоты рисунок показывает только одну ячейку. Инерционная масса датчика ускорения при изменении скорости перемещения кристалла смещается относительно остальной части кристалла. Ее пальцеобразные выступы образуют подвижную обкладку конденсатора переменной емкости. С каждого конца эта структура опирается на столбики-анкеры, аналогичные по конструкции держателям неподвижных обкладок. Растяжки по концам инерционной массы, удерживающие ее на весу, являются как бы механическими пружинами постоянной упругости, ограничивающими перемещение пробной массы и ее возврат в исходное положение. Говоря другими словами, сила инерции при воздействии ускорения
уравновешивается силой упругости пружины
где m - масса, a - ускорение, k - жесткость пружины, x - перемещение массы относительно исходного состояния. Отсюда следует, что a = x (k / m), причем k/m - конструктивный параметр датчика.
Поскольку перемещение инерционной массы должно происходить в плоскости поликремниевой пленки, ось чувствительности датчика лежит в этой плоскости, и, следовательно, она параллельна плоскости печатной платы, к которой припаивается датчик.
 |
 |
Каждый из наборов неподвижных обкладок конденсатора (Y и Z) электрически соединен параллельно внутри схемного кристалла. В результате получается пара независимых конденсаторов X-Y и X-Z, подвижная обкладка которых образована всей совокупностью пальцеобразных выступов инерционной массы. Внутри кристалла эти три обкладки подключены ко встроенным схемам формирования сигнала акселерометра. В спокойном состоянии (движение с постоянной скоростью) все «пальцы» подвижной обкладки Х благодаря растяжкам находятся на одинаковом расстоянии от пар пальцев неподвижных обкладок. При каком-либо ускорении подвижные пальцы приближаются к одному из наборов неподвижных пальцев и удаляются от другого набора. В результате этого относительного перемещения соответствующие расстояния становятся неодинаковыми, и емкости между подвижной обкладкой и каждой из неподвижных обкладок изменяются.
Хотя в ИМС акселерометра ADXL50 датчик и схема формирования сигнала фактически представляют собой замкнутый контур с обратной связью и уравновешиванием сил, опишем вначале работу устройства при разомкнутой обратной связи. Противофазные сигналы прямоугольной формы частотой 1 МГц одинаковой амплитуды подаются от генератора соответственно на верхнюю и нижнюю обкладки Y и Z (рис. 4). Емкости CS1 и CS2 между неподвижными и подвижной обкладками при отсутствии ускорения одинаковы, поэтому на подвижную обкладку передаются сигналы одинаковой амплитуды. Разностный сигнал, поступающий на вход повторителя, равен нулю. При ускорении датчика разностный сигнал не равен нулю, причем его амплитуда зависит от величины смещения подвижной обкладки, а фаза определяется знаком ускорения.
Фазочувствительный демодулятор преобразует этот сигнал в низкочастотный (полосой от 0 до 1000 Гц), характеризующий величину и знак ускорения. Это напряжение поступает на предусилитель, с выхода которого сигнал идет на внешний вывод ИМС.
 |
 |
Чтобы уменьшить влияние температуры окружающей среды, временные изменения параметров, снизить нелинейность переходной характеристики акселерометра, разработчики ввели отрицательную обратную связь по положению инерционной массы. Для этого напряжение с выхода предусилителя через резистор 3 МОм подается на подвижные обкладки датчика. Это напряжение создает электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, которые стремятся установить инерционную массу в исходное состояние. Поскольку мы имеем в этом случае следящую систему с высокой добротностью, инерционная масса никогда не будет отклоняться от своего исходного положения более чем на 0,01 мкм. В отсутствии ускорения выходное напряжение предусилителя равно VO = 1,8 В, при полном ускорении ±50 g VO = 1,8±1,5 В.
В более поздних моделях ИМС акселерометров инженеры компании Analog Devices отказались от обратной связи по положению инерционной массы. С одной стороны, это позволило почти в два раза уменьшить площадь кристалла датчика, повысить его экономичность, увеличить размах выходного напряжения, практически исключить внешние компоненты, снизить стоимость, но с другой стороны, увеличилось смещение инерционной массы, что привело к некоторому реальному ухудшению линейности.
Акселерометры семейства ADXL также снабжены системой самотестирования. В ADXL50 тестовый сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов низкой частоты подается на подвижную обкладку. Это вызывает колебания инерционной массы, аналогичные тем, которые вызываются воздействием инерционных сил. Выходное напряжение исправного датчика также будет изменяться с той же частотой.
Рис. 8. Упрощенная конструкция датчика ускорения микросхемы семейства XMMA
В моделях без обратной связи по положению только 42 ячейки датчика используются в схеме измерения ускорения. Остальные 12 входят в схему самотестирования. Самотестирование осуществляется подачей высокого логического уровня на вывод «SELF-TEST» микросхемы. При этом на подвижную часть датчика действует электростатическая сила, соответствующая приблизительно 20 % ускорения полной шкалы. Выходное напряжение ИМС исправного датчика пропорционально уменьшится. Таким образом проверяется работоспособность полной механической структуры и электрической схемы акселерометра.
Для того чтобы снизить требования к стабильности источника питания и сделать возможным питание акселерометров прямо от батарей, их выходное напряжение делают пропорциональным произведению ускорения на напряжение питания. В таком случае его следует включать по логометрической схеме, как это показано на рис. 5. В этой схеме удобно применить АЦП, который использует питающее напряжение в качестве опорного. Следует заметить, что между выходом акселерометра и входом УВХ АЦП должен быть буферный усилитель, так как выходной ток акселерометра изменяется в диапазоне ±100 мкА, и при достаточно высокой частоте выборок конденсатор УВХ не будет успевать заряжаться до напряжения на выходе акселерометра.
В настоящее время Analog Devices выпускает несколько моделей интегральных акселерометров: одноосные ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальное ускорение ±5 g, ±50 g, ±100 g соответственно, и двухосные ADXL202, ADXL210 и ADXL250 на максимальное ускорение по обеим осям ±2 g, ±10 g и ±50 g соответтвенно. Датчики изготавливаются в основном в плоских керамических корпусах QC-14 с планарными выводами, причем оси, по которым измеряется ускорение, направлены параллельно плоскости выводов (то есть параллельно плоскости печатной платы). Вариант ADXL202Е выпускается в миниатюрном безвыводном кристаллоносителе LCC-8 размером 5ґ5ґ2 мм. Для удобства сопряжения с микроконтроллерами выходные сигналы ИМС ADXL202 и ADXL210 представляют собой прямоугольные импульсы постоянной частоты. Информация об ускорении отображается относительной длительностью импульсов g .
Интересное применение акселерометров с малым значением максимального измеряемого ускорения (и, соответственно, высокой чувствительностью) - определение угла наклона относительно горизонта. Это можно использовать в охранных системах автомобилей, для определения местоположения бура при бурении наклонных скважин и др.
Рис. 9. График зависимости разности емкостей конденсаторов из ячейки датчика ускорения от перемещения подвижной пластины
Выходное напряжение акселерометра пропорционально синусу угла наклона оси его чувствительности относительно горизонта. Для того чтобы определить этот угол однозначно, необходимо использовать двухосный акселерометр. Для этой цели почти идеально подходит ADXL202. Зависимости выходных сигналов этого датчика, приведенных к 1 g, от угла его наклона представлены на рис. 6.
Рис. 7, а показывает упрощенную блок-схему двухосного акселерометра ADXL202. Его выходными сигналами являются импульсы, относительная длительность которых пропорциональна ускорению. Такой тип выхода обеспечивает повышенную помехоустойчивость, передачу сигнала по одной линии и прием его любым микроконтроллером, имеющим таймер (АЦП не нужен!). Сигнал на выходе каждого канала датчика имеет форму, показанную на рис. 7, б, причем ускорение в единицах g рассчитывается по формуле:
Обратите внимание, что относительная длительность = 0,5 соответствует нулевому ускорению. Период импульсов Т2 не нужно измерять на каждом импульсе. Его нужно уточнять только при изменении температуры. Так как частота выходных импульсов одинакова для обоих каналов, период Т2 достаточно измерить только на одном канале. Эта величина устанавливается в пределе от 0,5 до 10 мс внешним резистором RSET. Недостатком акселерометров с ШИМ-выходом является необходимость применения весьма быстродействующих микроконтроллеров для получения высокой разрешающей способности при широкой полосе пропускания.
Завершая описание акселерометров компании Analog Devices, приведем несколько интересных цифр, характеризующих конструкцию и уровень технологии производства этих микросхем .
Акселерометры семейства XMMA компании Motorola состоят из планарной емкостной ячейки датчика ускорения и КМОП-схемы нормализации сигнала, выполненных в отличие от ранних моделей , на одном кристалле. Чувствительный элемент (G-ячейка) занимает большую часть кристалла. Он сформирован из поликристаллического кремния посредством поверхностной микрообработки и состоит из двух неподвижных пластин, между которыми расположена пластина, закрепленная на упругом подвесе и способная перемещаться под действием инерционных сил (рис. 8). Когда центральная пластина отклоняется от среднего положения в результате ускорения, расстояние от нее до одной из неподвижных пластин увеличится на ту же самую величину, на которую расстояние до другой пластины уменьшится. Изменение расстояний характеризует ускорение. Ось чувствительности к ускорению направлена перпендикулярно поверхности пластинки кремния (чипа), поэтому датчики, изготавливаемые в DIP-корпусе, измеряют ускорение, направленное нормально к печатной плате. Для того чтобы сделать возможным измерение ускорений, направленных параллельно печатной плате, фирма выпускает эти датчики также и в корпусах SIP, в которых чип расположен перпендикулярно печатной плате.
Рис. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G
Пластины G-ячейки формируют два противовключенных конденсатора. При движении датчика с ускорением, направленным перпендикулярно плоскости пластин, подвижная пластина отклонится в направлении, противоположном ускорению, и произойдет перераспределение расстояний между пластинами. Емкости обоих конденсаторов изменятся в соответствии с формулой
где S - площадь пластин, e - диэлектрическая постоянная и x - расстояние между пластинами. Как видно, эта зависимость нелинейна. На рис. 9 приведен график зависимости разности емкостей этих конденсаторов (С1–С2) от перемещения подвижной пластины. Схемы определения рассогласования емкостей конденсаторов G-ячейки измеряют изменение напряжения на подвижной пластине (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) или заряда на ней (XMMA1000, XMMA2000). Напряжение измеряется электрометрическим усилителем, а заряд - усилителем заряда. Судя по техническим описаниям этих микросхем, представленным фирмой-изготовителем, постоянное ускорение они не воспринимают. На рис. 10 приведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, имеющего диапазон измеряемых ускорений 500 g. Сигнал с выхода электрометрического усилителя поступает на фильтр нижних частот 4-го порядка, а с него - на схему температурной компенсации.
Акселерометры компании Motorola также могут быть использованы в логометрическом включении.
Точность интегральных акселерометров
Статическая точность
Точность преобразования ускорения в электрический сигнал акселерометрами так же, как и точность датчиков другого типа, определяется величинами смещения нуля, погрешностью полной шкалы (или чувствительности), а также температурным и временным дрейфом этих параметров. Важными составляющими погрешности являются также погрешности линейности (нелинейность) и поперечная чувствительность. Смещение нуля и чувствительность акселерометров при нормальных условиях корректируются при изготовлении. Остаточная погрешность может быть уменьшена путем калибровки и запоминания калибровочных констант в памяти микроконтроллера. Калибровка акселерометра возможна двумя способами: на вибростенде с образцовым датчиком ускорения и с использованием силы тяжести.
 |
 |
Использование вибростенда имеет следующие преимущества:
и недостатки:
Преимущества применения силы тяжести для калибровки:
и недостатки:
Температурный дрейф смещения нуля и чувствительности также может быть скомпенсирован. Для этой цели некоторые модели (например, XMMA1000, ADXL105) снабжаются встроенными датчиками температуры.
Одной из причин нелинейности характеристики преобразования интегральных акселерометров с датчиками емкостного типа является нелинейная зависимость емкости конденсатора от расстояния между обкладками (см. рис. 9). При использовании усилителя заряда, как это сделано в XMMA1000, потенциал подвижной пластины постоянен и равен половине напряжения питания, которое мы будем считать равным 2V (см. рис. 8). В этом случае из формулы q = CV с учетом (1) следует, что приращение заряда подвижной обкладки при ее перемещении на расстояние x составит
Как видно, зависимость приращения заряда от изменения расстояния между пластинами нелинейна. Если в акселерометре применяется усилитель напряжения (электрометрический), то заряд конденсаторов датчика меняться не будет. Тогда приращение напряжения на подвижной пластине будет линейно зависеть от изменения расстояния между пластинами:
По указанным причинам акселерометр XMMA1000 (усилитель заряда) имеет типичную погрешность линейности 1 % от полной шкалы против 0,5 % у MMAS40G (усилитель напряжения). Акселерометры семейства ADXL имеют емкостный датчик дифференциального типа, неподвижные пластины которого питаются равными, но противофазными напряжениями возбуждения V1 и V2 с частотой 1 МГц. Поэтому комплексное действующее значение напряжения на средней пластине, согласно методу двух узлов, определяется формулой:
(3)
где - круговая частота возбуждения. С учетом того, что V1 = -V2, а
из (3) получим
Таким образом, зависимость напряжения на подвижных пластинах датчика от перемещения получается линейной. Акселерометры семейства ADXL имеют типовую погрешность линейности 0,2 %.
В в качестве еще одного источника погрешности указывается гистерезис (то есть неполная восстанавливаемость) при вибрациях и ударах. В фирменном описании микросхем никаких сведений о гистерезисе нет, но эксперименты по использованию интегральных акселерометров семейства ADXL для определения скоростей и перемещений, проведенные авторами этой статьи, показали, что при наличии вибраций большой амплитуды погрешность, обусловленная, по всей видимости, гистерезисом, может достигать совершенно недопустимых значений. По нашему мнению, этот гистерезис вызван тем, что при значительных ускорениях деформация растяжек, играющих роль пружин, может быть неупругой и при уменьшении ускорения инерционная масса либо очень медленно возвращается в исходное состояние (вязкая неупругость), либо не возвращается совсем. На рис. 11 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) от времени акселерометра ADXL150, закрепленного на одном из концов стального стержня длиной 1,5 м, который перемещается с большими ускорениями на расстояние 0,5 м. Вследствие упругости стержня это перемещение сопровождается вибрацией довольно большой амплитуды с частотой приблизительно 300 Гц. График ускорения получен непосредственным считыванием сигнала акселерометра 12-разрядным АЦП с частотой выборки 80 кГц. График скорости является результатом численного интегрирования этих данных методом трапеций. В начале и в конце интервала наблюдения (0–0,9 с) скорость датчика равна нулю. На графике скорости (рис. 11, б), точки которого рассчитаны по данным акселерометра, погрешность конечного значения скорости составила примерно 1,25 м/с при максимальной скорости 3,5 м/с.
 |
 |
На рис. 12 приведены графики ускорения (а) и скорости (б) того же датчика при близких параметрах движения, но закрепленного на более жесткой конструкции. Движение сопровождалось значительно меньшей продольной вибрацией. Как видно, погрешность определения скорости уменьшилась во много раз.
Поперечная чувствительность
Поперечная чувствительность характеризует способность датчика преобразовывать в электрический сигнал ускорение, направленное под углом 90° к оси чувствительности датчика (поперечное). У идеального акселерометра поперечная чувствительность равна нулю. В паспортных данных датчика указывается часть (в процентах) поперечного ускорения, которая проходит на выход.
Шум акселерометров
Шум, содержащийся в выходном сигнале акселерометра, определяет разрешающую способность устройства, важную при определении малых ускорений. Предельное разрешение в основном определяется уровнем шума измерения, который включает внешний фоновый шум и шум собственно датчика. Уровень шума непосредственно связан с шириной полосы пропускания датчика. Уменьшение полосы пропускания путем включения ФНЧ на выходе датчика приводит к снижению уровня шума. Это улучшает отношение сигнал/шум и увеличивает разрешающую способность, однако вносит амплитудные и фазовые частотные искажения. Некоторые модели акселерометров содержат на кристалле ФНЧ (семейство XMMA - 4-го порядка, ADXL190 - 2-го). Двухосные датчики ADXL202/210 имеют выводы для подключения двух внешних конденсаторов, образующих с двумя внутренними резисторами по 32 кОм два ФНЧ первого порядка.
Пример. Микросхема ADXL150 имеет типичное значение спектральной плотности шума 1мg/ Гц в полосе 10–1000 Гц. При включении ФНЧ с частотой среза 100 Гц действующее значение шума на выходе фильтра составит 10 мg, а амплитудное, с вероятностью 0,997, - в пределах 30 мg. Поскольку полная шкала этого датчика составляет 50 g, динамический диапазон равен 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Это неплохо, но по этому показателю интегральные акселерометры сильно уступают пьезоэлектрическим. Например, пьезоэлектрический акселерометр типа 4371 компании Bruel & Kjaer имеет динамический диапазон 140 дБ .
Основной динамической характеристикой акселерометров является полоса пропускания по уровню –3 дБ. В табл. 2 приведены основные характеристики некоторых типов интегральных датчиков ускорения.
Литература
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений. Акселерометр содержит поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент, соединенные электрически параллельно. При этом их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны, и инерционный элемент выполнен из монокристаллического диэлектрика - пьезоэлектрического материала. Изобретение позволяет повысить осевую чувствительность акселерометра при сохранении его габаритов и массы, уменьшить величину смещения нулевой линии практически до 0 и уменьшить себестоимость. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пьезоэлектрическим акселерометрам, предназначенным для измерения вибрационных и ударных ускорений.
Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых имеют предварительно напряженное состояние и работают по механической схеме осевого сжатия-растяжения. Классические схемы таких акселерометров содержат инерционный элемент и два кольцевых пьезоэлемента, расположенных последовательно по оси чувствительности и установленных на жестком цилиндрическом основании корпуса. Пьезоэлементы, как правило, имеют одинаковые геометрические размеры, выполняются из одного пьезоэлектрического материала и соединяются электрически параллельно с противоположным направлением векторов поляризации. Такая конструкция имеет простое устройство, обеспечивает удовлетворительное сочетание осевой чувствительности и резонансной частоты и широко используется в акселерометрах общего назначения, например, акселерометрах типа 4344, 8306, 8308, 8310 фирмы Брюль и Къер (. Bruel&Kjar. Пьезоэлектрические акселерометры и предусилители. Справочник по теории и эксплуатации. Дания: Нерум. 1978 г.), типа 2215, 2273, 2275 фирмы Эндевко (. Endevco. Shock, Vibration, Pressure. Instrumentation Catalog. 1998 г.) и многих других фирм.
Однако несмотря на простоту, прочность и надежность конструкции, такие акселерометры имеют ряд недостатков: сравнительно большие габариты и массу, большую деформационную чувствительность и смещение (дрейф) нулевой линии при измерениях однократных ударов большой амплитуды. Эффект смещения нулевой линии обусловлен двумя факторами: невозвратом доменов пьезокерамики в исходное положение после прекращения механического воздействия и деформацией сдвига поверхности контакта между пьезоэлементами. Величина смещения нулевой линии может лежать в пределах ±100% от амплитуды сигнала (А.Н.Пелых, П.Г.Соколов. Некоторые особенности пьезокерамики акселерометров при больших однократных ударах. Электроника, Приборостроение. БТИ № 4. 1977 г., стр.8-15).
Известны пьезоакселерометры, чувствительные элементы которых работают по сдвиговой механической схеме. Сдвиговые акселерометры отличаются сравнительно малыми размерами и массой, что позволяет применять их для измерения ударов и испытаний легких объектов. Сдвиговую конструкцию имеют большинство акселерометров фирмы Брюль и Къер - например, типы 4321, 4374, 4370, 4378, 8318 , фирмы Эндевко - например, типы 22, 2220, 2221, 2222, 23, 225, 7701 и многих других фирм.
Сдвиговые акселерометры по сравнению с акселерометрами, работающими по схеме сжатия-растяжения, обеспечивают лучшую защиту от помех, связанных с деформацией основания и акустическими шумами. Легко центрируемая сдвиговая конструкция обеспечивает существенно меньшую поперечную чувствительность. Однако при измерениях однократных ударов большой амплитуды сдвиговые акселерометры также не лишены недостатка смещения нулевой линии, величина которого может лежать в пределах ±40% от амплитуды сигнала.
Известен также акселерометр, работающий по механической схеме сжатия-растяжения с одним пьезоэлементом, изготовленным из сегнетожесткого пьезокерамического материала, и инерционным элементом из монокристалла рубина, - акселерометр типа 8309 фирмы Брюль и Къер . Использование сегнетожесткого пьезокерамического материала для изготовления пьезоэлемента уменьшает эффект невозврата доменов в исходное положение, а использование монокристалла рубина обеспечивает идеальность плоскопараллельного напряженно-деформированного состояния пьезоэлемента, исключающего сдвиг поверхности контакта с инерционным элементом. В результате указанное устройство, выбранное в качестве прототипа, обладает приемлемой совокупностью таких параметров, как осевая чувствительность, собственная частота, амплитудный диапазон и величина смещения нулевой линии (±10%).
Однако недостатками известного акселерометра являются:
Сравнительно малая осевая чувствительность, что ограничивает точность измерения амплитудного диапазона акселерометра снизу (повышения осевой чувствительности можно достичь путем увеличения габаритов и массы инерционного элемента, что неприемлемо);
Невозможность дальнейшего снижения эффекта смещения нулевой линии, что уменьшает достоверность измерений;
Высокая себестоимость акселерометра из-за использования драгоценного камня - рубина.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании пьезоэлектрического акселерометра, измеряющего параметры однократных ударов малой длительности и большой амплитуды с высокой точностью и достоверностью.
Техническими результатами, достигаемыми при осуществлении изобретения, являются повышение осевой чувствительности акселерометра при сохранении его габаритов и массы, а также возможность уменьшения величины смещения нулевой линии практически до 0.
Кроме того, заявляемый акселерометр обладает меньшей себестоимостью.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в пьезоэлектрическом акселерометре, содержащем поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, новым является то, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их векторы поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.
Выполнение инерционного элемента из пьезоэлектрического монокристаллического материала (например, монокристалла кварца) приводит к тому, что указанный элемент наряду с функцией инерционного элемента, обеспечивающего идеальное плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние пьезочувствительного элемента, осуществляет функцию «дополнительного» пьезоэлемента. При направлении векторов поляризации указанных элементов в разные стороны заряд, генерируемый «дополнительным» пьезоэлементом, складывается с зарядом пьезочувствительного элемента, в результате чего повышается осевая чувствительность акселерометра без увеличения габаритов и массы инерционного элемента. Монодоменная структура кварца не подвержена развороту домена при действии механических напряжений под воздействием ускорения, поэтому генерирование заряда прекращается с прекращением действия ускорения. Полидоменная структура пьезокерамического материала, даже сегнетожесткого, из которого, как правило, выполнен пьезочувствительный элемент, подвержена развороту доменов при действии механических напряжений под воздействием ускорения, в связи с чем генерирование заряда продолжается с прекращением действия ускорения еще некоторое время, до возврата доменов в исходное положение, что и приводит к эффекту смещения нулевой линии. Количественно эффект смещения нулевой линии оценивается величиной отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к заряду - при действии ускорения. Большая величина этого отношения свидетельствует о большем проявлении указанного эффекта. Таким образом, в заявляемом акселерометре возможность уменьшения величины отношения заряда, генерируемого после действия ускорения, к суммарному заряду, генерируемому при действии ускорения, приводит к уменьшению эффекта смещения нулевой линии. Подбирая материалы пьезоэлементов по пьезомодулю и плотности, осевую чувствительность можно увеличить до 100% и более, а смещение нулевой линии уменьшить практически до 0.
На приведенном чертеже изображена конструктивная схема заявляемого пьезоэлектрического акселерометра.
Пьезоэлектрический акселерометр содержит пьезочувствительный элемент 1 и инерционный элемент 2, поджатые к основанию 3 корпуса 4 посредством упругого элемента 5, например, пружины. Пьезочувствительный элемент 1 выполнен, например, из сегнетожесткого пьезокерамического материала - титаната натрия висмута (ТНАВ). Инерционный элемент 2 выполнен из монокристаллического диэлектрика - пьезоэлектрического материала, например, кварца.
Векторы поляризации 7 и 8, соответственно инерционного элемента 2 и пьезочувствительного элемента 1, ориентированы вдоль оси чувствительности 10 акселерометра и направлены в разные стороны.
Электроды (выделены основными линиями) указанных элементов соединены электрически параллельно. С помощью токосъемника 11, установленного между пьезочувствительным 1 и инерционным 2 элементами, обеспечивается электрическое соединение первой пары электродов, а с помощью пружины 5 и крышки 6 - соединение второй пары электродов. При этом корпус 4 и крышка 6 выполнены из токопроводящего материала. С помощью токовыводов 9 осуществляется электрический съем сигнала.
Пьезоэлектрический акселерометр работает следующим образом. При воздействии на акселерометр ударного ускорения большой амплитуды в направлении оси чувствительности 10 пьезочувствительный элемент 1 испытывает плоскопараллельное напряженно-деформированное состояние сжатия с минимальным смещением (разворотом) доменов от исходного состояния в силу того, что указанный элемент изготовлен из сегнетожесткого пьезокерамического материала и поджат к основанию 3 через инерционный элемент 2 из монокристаллического диэлектрика, обеспечивающего исключение сдвига поверхности контакта между ними.
При таком напряженно-деформированном состоянии на электродах пьезочувствительного элемента 1 генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению, с минимальным искажением (с минимальным смещением нулевой линии), чем и обеспечивается достоверность измерения. Одновременно с пьезочувствительным элементом 1 деформацию сжатия испытывает и инерционный элемент 2, на электродах которого также генерируется электрический заряд, пропорциональный воздействующему ускорению. Заряды пьезочувствительного и инерционного элементов, соединенных электрически параллельно, складываются, что увеличивает осевую чувствительность и повышает точность измерения.
Изготовлен макетный образец пьезоэлектрического акселерометра, проведенные испытания которого показали, что по сравнению с акселерометром типа 8309 фирмы Брюль и Къер при одинаковой собственной частоте достигнуто увеличение осевой чувствительности на 25% и уменьшение эффекта смещения нулевой линии на 20%. Кроме того, полученный образец имеет меньшие массу (2,8 г - заявляемый акселерометр, 3 г - известный акселерометр), габариты ( 6,9 мм×10,2 мм и 7 мм×10,8 мм соответственно) и обладает меньшей себестоимостью.
Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий поджатые к основанию корпуса пьезочувствительный элемент, работающий на сжатие-растяжение, и инерционный элемент из монокристаллического диэлектрика, отличающийся тем, что инерционный элемент выполнен из пьезоэлектрического материала, при этом указанные элементы соединены электрически параллельно, а их вектора поляризации ориентированы вдоль оси чувствительности акселерометра и направлены в разные стороны.
Акселерометр - прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения. Кажущееся ускорение есть ускорение, вызванное равнодействующейсилнегравитационной природы, действующая намассуи равное этой силе отнесённой к величине этой массы. Современные акселерометры позволяют измерять ускорение сразу в трех плоскостях.
Принцип действия простейшего акселерометра изображен на рисунке 1.
Рисунок 1 Принцип действия простейшего акселерометра
Груз закреплен на пружине. Демпфер подавляет колебания груза. Чем больше кажущееся ускорение, тем сильнее деформируется пружина, изменаяя показания прибора.
Используемый акселерометр – акселерометр на переменных конденсаторах. Это обеспечивает компактность и высокую точность измерений.
При воздействии на подвижный элемент сенсора массой F = ma возникает смещение x i , пропорциональное ускорению.
где 𝛃– жесткость подвески,a– ускорение смещения сенсора,w 0 – собственная частота колебаний сенсора, определяющая чувствительность механической части системы.
При малых смещениях подвижной части электрический сигнал пропорционален величине смещения, которое, в свою очередь, пропорционально ускорению.
В отличие от других типов вибродатчиков, пьезоэлектрический акселерометр эффективен при измерениях всех колебательных величин механических колебаний самых различных объектов измерения, практически в любых необходимых динамическом и частотном диапазонах.
Акселерометр различают по:
Виду движения
линейный;
По технологии изготовления
пьезоэлектрические акселерометры;
пьезорезистивные акселерометры;
акселерометры на переменных конденсаторах.
Пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Отличаются широким диапазоном частот (от нескольких Гц до 30 кГц), при этом частотная характеристика может оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
Наиболее распространенный тип акселерометра, используемый для измерения механической вибрации и ударов – пьезоэлектрический акселерометр. Это определяется качествами, свойственными этому типу датчиков вибрации.
Основные преимущества пьезоэлектрических акселерометров:
широкий частотный диапазон;
линейная амплитудная характеристика в широком динамическом диапазоне;
возможность при использовании интеграторов, включенных на выход акселерометра, получить сигнал, пропорциональный виброскорости и виюроперемещению;
способность работать в тяжелых окружающих условиях (температура, влажность);
высокая механическая надежность и долговечность (нет движущихся частей);
отсутствие необходимости в источнике питания, т.к. пьезоакселерометр является датчиком генераторного типа.
Пьезоэлектрический акселерометр состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и основания, жестко между собой соединенными, и закрытого корпуса. Пьезоэлемент из поляризованной пьезокерамики или пьезокристалла выполняет роль пружины, соединяющей массу с основанием. В силу своей инертности при воздействии вибрации на основание пьезоакселерометра, инерционная масса отстает в своем движении от основания, это вызывает деформацию пьезоэлемента и возникновение на его обкладках заряда, пропорционального ускорению.
Рисунок 2 Основной принцип работы пьезоэлектрических акселерометров
Акселерометры на переменных конденсаторах – продукт самых современных технологий. Они отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3кГц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурном диапазоне до 180 0 С не превышает 1.5 %. Акселерометры этого типа отлично подходят для измерения низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения, однако их стоимость ввиду новизны препятствует широкому распространению.
Рисунок 3 Основной принцип работы акселерометров на переменных конденсаторах
Существуют определенные требования к установке акселерометров при диагностировании объекта контроля. Эти требования включают в себя следующее:
акселерометр должен воспроизводить, насколько это возможно, движение испытуемой конструкции в месте установки датчика;
установка акселерометра должна влиять на колебания конструкции в минимальной, насколько это возможно, степени;
отношение сигнала с выхода акселерометра к воспринимаемым им колебаниям не должно быть искажено влиянием собственной резонансной частоты установленного акселерометра.
Для реализации указанных принципов необходимо выполнить следующие требования:
акселерометр и его крепление должны быть максимально жесткими и твердыми, а поверхность крепления – максимально чистой;
само крепление должно вносить минимальные искажения в движение конструкции, для чего рекомендуется использование симметричных креплений;
масса акселерометра вместе с устройством крепления должна быть мала в сравнении с динамической массой конструкции.
Поверхность, на которую устанавливается датчик, должна быть проверена на гладкость и наличие загрязнений и, если необходимо, подвергнута дополнительной шлифовке.
