Измерение вибрации. Интегральные акселерометры
Введение
По естественной входной величине прибора методы измерения параметров движения могут быть разбиты на две группы.
К первой группе относятся методы, основанные на осуществлении непосредственного контакта между движущимся объектом и системой, принятой за неподвижную. Приборы, основанные на этом методе, называются контактными. К этой группе относятся все устройства, предназначенные для измерения параметров относительного движения.
Ко второй группе относятся методы, не требующие осуществления непосредственного контакта с неподвижной системой отсчета. Приборы, реализующие этот метод, называются инерционными. Естественной входной величиной таких приборов может быть только сила инерции, воспринимаемая корпусом датчика, с которым связана собственная (подвижная) система отсчета.
Это свойство приборов для измерения параметров движения, т.е. способность реагировать или на взаимное перемещение, или на силу инерции, нашло свое отражение в их структуре. Так как основные параметры механического движения - перемещение, скорость и ускорение - связаны между собой простейшими дифференциальными зависимостями, то обычно прибор для измерения какого-либо параметра имеет предварительный преобразователь, реагирующий на другой параметр, легче поддающийся измерению, а искомая величина получается путем применения операционных звеньев в цепи дальнейшего преобразования (в датчике, измерительной цепи или указателе).
Выбор структурной схемы и элементов прибора для измерении параметров механического движения определяется не столько самим параметром, сколько диапазоном его изменения, как по амплитуде, так и по частоте. Величины параметров механического движения, с которыми приходится сталкиваться в науке и технике, можно примерно разбить на несколько диапазонов. Так, при измерении ускорений приходится иметь дело с весьма большими (1000-200 000 м/с2), средними (1-200 м/с2), малыми (ниже 1 м/с2) и весьма малыми (до 10-5 м/с2) значениями измеряемого параметра.
В курсовом проекте в качестве первичного преобразователя акселерометра применяется пьезоэлектрический преобразователь. Выбор пьезоэлектрического преобразователя обусловлен его доступностью, невысокой стоимостью, наличием у пьезоэлектрика хороших механических свойств. Акселерометры пьезоэлектрического типа компактны, конструктивно просты, имеют малые габариты, надежны в работе, пригодны для измерения быстроменяющихся величин. К недостаткам относятся необходимость обеспечения полной герметичности прибора, кабельный эффект, возможность отрыва инерционной массы при измерении больших импульсных ускорений знакопеременного характера при работе прибора на растяжение, малая выходная мощность пьезоэлектрического преобразователя.
Патентный обзор
В процессе разработки курсового проекта был произведен патентный поиск. В результате проделанной работы найдено несколько патентов за последние 10 лет.
Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий монтажное основание, чувствительный изгибный элемент и электрические выводы для подключения акселерометра. Отличающийся тем, что на монтажном основании сьемно закреплены герметичный полый защитный корпус и поперечно плоскости основания через диэлектрическую теплозащитную втулку осевая опора под чувствительный изгибный элемент, который введен, но внутреннюю полость корпуса и выполнен в виде нижней токосъемной панели и верхней одной или нескольких пар полиморфных пьсзоэлемснтов, насаженных на опоре в ее поперечной плоскости с верхним поджимным ограничителем положения пар, при этом каждая насаженная на опору пара полиморфных пьелоэлементов выполнена в виде дисков и установленной между ними клеммы, включающей концентрично установленные на опоре втулки, одну - внутреннюю диэлектрическую, и вторую - наружную, электросоединительную распорную, причем токосъемная панель электрически связана с клеммой каждой пары полиморфных пьезоэлементов и с выводами акселерометра, установленными в защитном экране, дополнительно закрепленном на основании.
1. Универсальный вибродатчик линейного и углового ускорения правильных компонентов вибрации, содержащих кожух и размещенные в нем пьезоэлектрические элементы, отличающийся тем, что пьезоэлектрические элементы выполнены в виде пары одинаковых электрически последовательно соединенных продольно поляризованных пьезоэлектрических пластин с электродами имеющие контакты, расположенных симметрично по обе стороны оси чувствительности и линейных ускорению между опорой, переходящим в основание, и инерционным элементом или его частями, а контактные выводы из кожуха для коммутации последовательности соединения пакетов между собой.
Виброметр по П.1 отличающийся тем, что введен электронный переключатель коммутации последовательного соединения пакетов между собой.
Виброметр по П.1 отличается тем, что в кожухе дополнительно размешен инерционные элементы, опоры переходящие в основание и расположенные между соответствующей опорой и инерционными элементом или его частями симметричные по обе стороны соответствующей оси чувствительности к линейному ускорению пары одинаковых электрически последовательно соединенных пакетов продольно поляризованных пластин с электродами, имеющие контакты, выведенные их кожуха, а также введены электронные переключатели для коммутации последовательно соединенных пакетов между собой, при этом ось чувствительности каждой пары контактов пьезоэлектрических пластин перпендикулярна осям чувствительности каждой пары пакетов пьезоэлектрических пластин перпендикулярных осям чувствительности остальных пар, а электронные переключатели обобщены или синхронизированы.
Виброметр по П.1 отличается тем, что пакеты пьезоэлектрических пластин соединены между собой стационарно.
Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий основание с устройством крепления на объекте, осевой резьбовой стержень, кольцевые пьезоэлементы, расположенные на стержне, упругий элемент, инерционную массу, металлический экран и антивибрационный кабель, соединенный электрически с основанием и пьезоэлементами, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы в диапазоне ударных ускорений 103 - 2 105 м/с2, инерционная масса с упругим элементом выполнена в виде плоской гайки, осуществляющей поджатие кольцевых пьезоэлементов к основанию, а кольцевые пьезоэлементы и гайка покрыты слоем компаунда, поверх которого нанесено токопроводящее покрытие, имеющее электрический контакт с основанием и дополнительно с гайкой.
Акселерометр по П.1, отличающийся тем, что сквозное горизонтальное отверстие для кабеля в основании выполнено двухступенчатым с радиальным скруглением наружного края отверстия большего диаметра, в отверстие большего диаметра встроена часть кабеля с наружной изоляционной оболочкой, предварительно покрытой компаундом, а в отверстие меньшего диаметра встроена часть кабеля только с экранирующей оплеткой, причем экранирующая оплетка имеет электрический контакт с основанием по поверхности отверстия меньшего диаметра. Акселерометр по П.1,отличающиися тем, что, с целью уменьшения поперечной чувствительности, кольцевые пьезоэлементы выполнены из монокристалла кварца Х-среза с взаимно перпендикулярной ориентацией их оптических осей. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий чувствительный элемент, упруго поджатый к основанию стержнем, один конец которого расположен в основании и кабель в металлической оболочке, закрепленный в основании и соединенный с чувствительным эле« ментом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности за счет улучшения вибропрочности и технологичности, конец стержня, размещенный в основании, выполнен утолщенным, его диаметр равен 2-3 диаметрам основной части стержня, причем утолщенный конец стержня соединен с основанием сваркой, в основании и.утолщенном конце стержня выполнено сквозное отверстие, в котором размещен кабель в металлической оболочке, кабель со стороны ввода в отверстие закреплен.во введенной втулке, имеющей длину 0,3-0,4 длины кабеля в сквозном отверстии, размещенной в основании и соединенной с ним сваркой, причем втулка имеет на торце упор, который размещен в проточке, выполненной в.основании, а в месте ввода кабеля в основание размещен введенный кожух, соединенный с основанием и имеющий выступ, внутренняя поверхность которого, выполнена в виде части сферы. Пьезоэлектрический акселерометр, содержащий пьезоэлемент, инерционную массу, разъёмный соединительный узел, размещенный в основании, и шпильку крепления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности при измерении импульсных ускорений, неподвижная часть разъемного соединительного узла выполнена в виде размещенного в осевом отверстии основания стержня со сферической головкой, на которой выполнена фаска, изолированного от основания и соединенного через инерционную массу с электродом пьезоэлемента, а разъемная часть соединительного узла выполнена с выемкой, в которой размещена торцовая часть шпильки крепления.
Литературный обзор
Приборы, служащие для измерения ускорений, называются акселерометрами. Эти приборы применяются при исследовании движений или вибраций частей машин, в авиации, на транспорте и т.д. Акселерометры могут быть в зависимости от вида движения линейные или угловые; по конструкции - механические, электромеханические, оптические и другие; по назначению - измеряющие ускорения как функцию времени или пути и максимальные, измеряющие только максимальное значение ускорения. При измерении больших ускорений обычно используются механические акселерометры; при повышенном диапазоне частот - электромеханические; при измерении вибраций в звуковом и около звуковом диапазоне частот (10-20 000 Гц) наиболее распространены электрические акселерометры, основанные на пьезоэлектрическом эффекте. Ускорение поступательного движения с погрешностью 1-5 % измеряется обычно при помощи датчиков прямого преобразования маятникового или пружинного типов . В маятниковых акселерометрах сила, вызванная воздействием измеряемого ускорения на инерционную массу датчика, уравновешивается силой тяжести, в пружинных - силой деформируемой пружины. В качестве основного преобразователя как маятниковых, так и пружинных акселерометров используются реостатные, индуктивные, емкостные, фотоэлектрические или другие типы преобразователей в зависимости от величины рабочего перемещения инерционной массы и конструктивных соображений. В ряде случаев отсутствует необходимость в знании текущего значения ускорения и важно лишь установить, не превышает ли оно заданного размера. Для этих целей используются акселерометры с контактными преобразователями, получившие название предельных или максимальных акселерометров или сигнализаторов перегрузок. Весьма перспективны методы измерения малых ускорений, основанные на преобразовании в частоту и время. Достоинством частотной модуляции при измерении малых постоянных ускорений является легкость обнаружения очень малых изменений частоты путем сравнения частоты, пропорциональной измеряемой величине, со стабильной частотой кварцевого генератора. Этот принцип в струнных гравиметрах, позволяющих измерять изменения ускорения силы тяжести с погрешностью порядка (1 - 2)∙10-6 этого ускорения. Для измерения угловых и линейных ускорений можно применять все виды электромагнитных преобразователей. Во многих используемых на практике конструкциях измеряемый параметр определяется по величине э.д.с., возникающих в катушке, расположенной в поле магнита, при перемещении последнего относительно катушки. Достоинством индукционного преобразователя является возможность получения большой мощности преобразователя (до 1-5 В∙А), что позволяет пользоваться сравнительно малочувствительным указателем на выходе измерительной цепи и регистрировать измеряемую переменную величину самописцем или вибратором осциллографа без предварительного усиления, чувствительность преобразователя достигает 140 В/(м/с), диапазон частот не превышает 50 Гц при амплитуде не более 1-5 мм. Принцип действия реостатного акселерометра заключается в изменении активного сопротивления на выходе при перемещении движка, которое может быть угловым или линейным. Преимущества преобразователя реостатного типа: большой выходной сигнал, возможность питания, как от постоянного, так и переменного тока. Линейный механический акселерометр (рис.1) представляет собой систему с одной степенью свободы, состоящую из груза, укрепленного на рычаге, удерживаемом в горизонтальном положении специальной пружиной . Прибор крепится к исследуемому объекту, и при движении объекта (в частности при его вибрациях) груз также перемещается (или вибрирует). Величина и характер этих перемещений пропорциональны ускорению объекта, которое и измеряют, регистрируя перемещение груза. Чтобы при этом собственные колебания прибора не искажали измеряемых ускорений, в акселерометрах делают специальные устройства, которые глушат эти колебания.
Рисунок 1 - Механический акселерометр
В электромеханических акселерометрах перемещение груза измеряется электрическими способами с помощью датчиков (индуктивных, емкостных и т.д.). Примером является акселерометр с проволочным тензодатчиком (рис.2), в котором груз крепится на пружине и помещается в корпус, залитый демпфирующей жидкостью.
Рисунок 2 - Тензоакселерометр
Под действием горизонтального ускорения груз изгибает пружину. Величина деформации пропорциональна ускорению; она измеряется наклеенным на пружину четырьмя тензодатчиками, два из которых составляют два плеча измерительного моста, а другие два входят в конструкцию усилителя. Разбалансировка моста, вызванная изменением сопротивления тензодатчиков при изгибе пружины, после усиления регистрируется осциллографом как ускорение. Такие акселерометры успешно работают, если их собственная частота 100Гц. Для измерения быстроменяющихся ускорений применяются акселерометры с высокой собственной частотой. Конструирование таких акселерометров сильно усложняется их малой чувствительностью. Поэтому в таких случаях применяют максимальные акселерометры, в которых ускорение объекта измеряется по величине силы инерции, действующей на груз при его движении вместе с объектом. Акселерометр определяет или момент времени, когда ускорение объекта достигает заданной величины, или величину максимального ускорения объекта. Максимальные акселерометры применяются также при больших и быстрорастущих ускорений, например, при ударах. В этих случая применяют максимальные акселерометры с пьезокерамикой из титаната бария. Высокая собственная частота пьезоэлектрических акселерометров позволяет измерять ускорения вибраций от 0.001g до 3000g при частоте от нескольких Гц до нескольких кГц. Основная часть
Расчет преобразователя
При проектировании пьезодатчиков одним из основных является вопрос о выборе пьезоэлектрического материала. При выборе материала следует учитывать его характеристики: значения пьезоэлектрических коэффициентов d и g, диэлектрической проницаемости ε, модуля упругости Е и плотности δ. Коэффициент d, называемый пьезомодулем, описывает основную чувствительность пьезоматериала и определяет величину электрического заряда, генерируемого при приложении определенной силы. Данное определение приводит к основному уравнению для пьезоэлектрических материалов:
где Q - электрический заряд, Кл; - сила, Н; - напряжение, В; С - емкость, Ф. Важным параметром пьезоматериала является диэлектрическая проницаемость ε. Этот параметр влияет на собственную емкость преобразователя С0, который определяется по формуле:
где s - площадь пьезоэлемента, м2; l - толщина пьезоэлемента, м. ε - диэлектрическая проницаемость. Также диэлектрическая проницаемость влияет на напряжение U на выходе датчика, определяемое выражением:
где СΣ - суммарная емкость, Ф, которая находится как:
CΣ = С0+Ск+Свх,
где Ск - емкость кабеля, Ф; Свх - входная емкость усилителя, Ф. Казалось бы необходимо выбирать материалы с возможно меньшим значением диэлектрической проницаемости ε. Но выбор материала с малым ε, т.е. с малой собственной емкостью, резко увеличивает внутреннее сопротивление преобразователя на низких частотах, что повышает требования к входной цепи измерительного усилителя. Поэтому, когда необходимо расширить частотный диапазон в области низких частот, лучше выбирать материалы с большим значением ε . Коэффициент gij является постоянной для пьезоматериала в случае разомкнутой цепи. Эта постоянная описывает чувствительность по напряжению пьезоэлемента и определяется как:
Коэффициент gij наиболее удобен для расчета выходного напряжения пьезоэлектрического преобразователя, если не рассматривается шунтирующая емкость. Связь постоянной gij c пьезоэлектрической постоянной dij выражается следующим равенством: где ε0 - электрическая постоянная. Так как в датчиках пьезоэлемент обычно действует как механическая пружина, то все механические характеристики будут зависеть от упругости пьезоэлемента, а значит будут определятся модулем упругости Е материала, а также в некоторой степени и плотностью материала δ. Поэтому предпочтительнее выбирать материалы с большим значением упругости и меньшей плотностью. Наиболее полной характеристикой пьезоэлектриков как преобразователей механической энергии в электрическую является коэффициент полезного действия. Этот КПД зависит только от свойств материала:
С точки зрения полноты использования входной энергии, характеризуемой k2, наилучшим материалом является сегнетова соль, наихудшим - кварц.
Выбор конструктивных материалов
Учитывая вышеперечисленные условия, в качестве первичного преобразователя пьезоэлектрического акселерометра выберем пьезоэлемент из цирконата титаната свинца (ЦТС-19) . Данный материал имеет высокую диэлектрическую проницаемость ε =1525, КПД равный 40℅, модуль упругости Е=70 Н/м2∙109, gij=14.8 мВ/Н∙10-3. Допустимая температура составляет 300оС. В акселерометрах, как правило, применяются дисковые пьезоэлементы с большим отношением диаметра к толщине (2R/l = 6 ÷ 10). Примем диаметр пьезоэлемента 2R равным 20 мм, тогда толщина l этого элемента составит 2 мм. По формуле (2) вычислим собственную емкость преобразователя:
С0 = εs/l = επR2/l = 239∙10-12, Ф.
Сила, действующая на пьезоэлемент при ускоренном движении, по второму закону Ньютона определится как: где m - значение инерционной массы, кг; а - значение ускорения, м/с2. Зададим максимальное значение силы 5,5 Н, а значение инерционной массы m=50 г. Тогда, согласно уравнению (7), максимальное ускорение определится как:
a = F/m,= 5.5/5∙10-3 = 110, м/с2.
Чувствительность акселерометра по заряду SQ определяется отношением
SQ = Q/a = d33m, (8) т.е. SQ = 282∙10-12∙50∙10-3 = 14∙10-11, Кл/(м∙с2).
Определим заряд, возникающий на поверхности пьезоэлемента при действии ускорения. Так как при продольном пьезоэффекте заряд не зависит от размера пьезоэлемента, тогда = d33F,
где d33 - значение пьезомодуля, Кл/Н ∙10-12;- сила, Н.
Q = 282∙10-12∙ 5.5 = 1,5∙10-9, Кл.
Исходя из формул (4) и (5), вычислим выходное напряжение преобразователя: GijFl/s = dijFl/sεε0, U = 282∙10-12∙5.5∙3∙10-3/165∙10-6∙1∙1525 = 1.8∙10-11, В.
Рассчитаем параметры инерционной массы. Форма инерционной массы влияет на характеристики датчика. Уменьшение поперечной чувствительности требует уменьшения расстояния между центром массы инерционного элемента и центром массы пьезоэлемента. В связи с этим инерционную массу желательно выполнять с малой высотой. Инерционную массу выполним из стали углеродистой качественной конструкционной ГОСТ 1050 - 74 марки 10. Зададим значение инерционной массы m=50 г. Масса представляет собой цилиндр (рис. 3). Так как известны диаметр основания, масса и плотность материала, вычислим высоту инерционной массы. Объем цилиндра находится по формуле:
V = πR2H, (9)
где R - радиус основания, м; H - высота цилиндра, м. С другой стороны, объем равен:= m/ρ, (10)
где m - значение инерционной массы, кг; ρ - плотность, кг/м³.
Рисунок 3 - Форма инерционной массы
Подставляя (9) в (10), получим:
πR2H = m/ρ.
Из полученной формулы найдем значение высоты цилиндра:
H = m/(ρπR2).= 50/(36∙3.14∙7.252) = 0.016, м.
Основание пьезоэлектрического акселерометра изготавливают из относительно легких, но достаточно прочных материалов. В качестве материала для изготовления основания датчика, разрабатываемого в данной курсовой работе, выберем титан ВТ3-1 ГОСТ 19807-74 (ρ=4.5 г/см3), по механическим характеристикам не уступающий стали.
Для сочленения деталей акселерометра используют поджатие, пайку и склеивание. При поджатии с помощью винтового соединения невозможно избежать даже незначительных люфт , которые приводят к дополнительным погрешностям. При пайке необходимо предварительно проводить серебрение поверхностей путем вжигания серебра при температуре около 5000С, что значительно усложняет процесс изготовления. Наиболее широкое применение нашло склеивание. Оно обеспечивает надежное сочленение элементов, не приводя к дополнительным погрешностям. Для склеивания применим клей БФ-4 ГОСТ 12172-74, используемый для цветных металлов, нержавеющей стали, для их склеивания с неметаллами (возможна замена на клей БФ-2 ГОСТ 12172-74).
Описание конструкции
Акселерометр пьезоэлектрического типа (рис.4) представляет собой прибор, состоящий из основания, к которому с помощью клея БФ-4 крепится преобразователь, состоящий из двух пьезопластин Х-среза, разделенных проводником. Пластины выполнены из керамики ЦТС-19 ОСТ 11 0444 - 87, проводник - из алюминиевой фольги ГОСТ 618-73 (СТС 76 4067-83). Фольга припаивается к пьезоэлементам посредством припоя ПОС 61М ГОСТ 21931-76. Инерционная масса выполнена из стали ГОСТ 5632-72. Акселерометр закрывается крышкой, навинчиваемой на основание. Основание имеет специальный хвостик с резьбой для крепления на объект. При воздействии на прибор измеряемого ускорения на гранях пьезоэлемента образуется заряд пропорциональный ускорению. Показания с преобразователя снимаются посредством медных выводов, припаянных к граням пьезоэлектрических пластин. Контакты соединены с антивибрационным кабелем. В крышке преобразователя предусмотрено отверстие под кабель, который подключается к входу усилителя для усиления, снимаемого сигнала. Рисунок 4 - Пьезоэлектрический акселерометр
Инерционная масса Пьезоэлемент Проводник Основание
Выбор электрической схемы
Так как выходная мощность пьезоэлектрических преобразователей очень мала, то на выходе преобразователя необходимо включить усилитель с возможно большим входным сопротивлением. Измерительная цепь пьезодатчика выполнена в виде усилителя напряжения с высокоомным входом (рис.5), где С0 - емкость преобразователя; Ск - емкость кабеля; С1 - дополнительная стабильная емкость; R1, R2 - сопротивления датчика и кабеля. В измерительной цепи используется неинвертирующий усилитель с входным каскадом на полевом транзисторе. Рисунок 5 - Схема электрическая пьезоакселерометра
Выходное напряжение усилителя увеличивается за счет увеличения его коэффициента k=(1+R1R2), однако, лишь до известных пределов, так как с ростом коэффициента усиления усилителя и уменьшением глубины обратной связи возрастают погрешности. Важной характеристикой измерительной цепи является постоянная времени τ = RC. Для измерительной цепи с усилителем напряжения сопротивление R определяется параллельно соединенными сопротивлениями изоляции датчика, кабеля, входным сопротивлением усилителя и сопротивлением R3. В качестве транзистора выберем полевой транзистор с p-n-переходом КП303Г, сопротивление которого составляет не менее 1011 Ом.
Сопротивление R3 стабилизирует уровень выходного напряжения усилителя, определяемый входным током усилителя. Так как входной ток усилителя Iвх не превышает 10-11 А, а напряжение на входе усилителя равно 1 В, то сопротивление R3 по закону Ома определится как: R3 = U/Iвх = 1/10-11 = 1011, Ом. Анализ отдельных составляющих показывает, что определяющим сопротивлением является, как правило, сопротивление поверхностной утечки датчика, и значение R обычно не превышает 109 Ом. Таким образом, даже при больших значениях C постоянная времени
Заключение акселерометр пьезоэлектрический измерение датчик В результате выполнения курсового проекта произвели литературный обзор; патентный поиск за последние 10 лет; так же были определены основные геометрические параметры преобразователя. Технические характеристики прибора: масса, г 140 предел измеряемых ускорений, м/с2 0- 110 габаритные размеры преобразователя: высота, мм 29.5 диаметр, мм 23.5 частотный диапазон, кГц 0.1- 1.5
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.
Рисунки к патенту РФ 2400760
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.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
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 .
- Масса инерционного грузика - 0,1 мкг.
- Емкость каждой части дифференциального конденсатора - 0,1 пФ.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение емкости - 20 aФ (10–18 Ф).
- Изменение емкости, соответствующее ускорению полной шкалы - 0,01 пФ.
- Расстояние между обкладками конденсатора - 1,3 мкм.
- Минимальное обнаруживаемое отклонение подвижных обкладок конденсатора - 0,2 ангстрема (пятая часть диаметра атома!).
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:
- возможность калибровки, в том числе и датчиков, восприимчивых только к переменному ускорению;
- возможность калибровки датчиков с ускорениями, многократно превышающими g;
и недостатки:
- требуется дорогостоящий вибростенд;
- проблема закрепления датчика при калибровке на высоких g.
Преимущества применения силы тяжести для калибровки:
- не требуется дорогостоящее оборудование;
- метод мало чувствителен к погрешности установки датчика;
- можно применить только для датчиков, восприимчивых к постоянному ускорению;
- нельзя калибровать полную шкалу датчиков, способных преобразовывать большие ускорения.
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
- Гудинаф Ф. Интегральный акселерометр на 50 G с самоконтролем, реализованным на нагреваемом возбудителе // Электроника. 1993. № 7–8. С. 54–57.
- Гудинаф Ф. Емкостный датчик ускорения, выполненный на основе сочетания объемной и поверхностной микроструктур // Электроника. 1993. № 11–12. С. 86–87.
- Гудинаф Ф. Интегральный датчик ускорения для автомобильных надувных подушек безопасности // Электроника. 1991. № 16. С. 7–14.
- Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.
- Серридж М., Лихт Т. Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. «Брюль и Къер». 1987.
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 - 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.