Методы и средства измерения ускорений

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

 

 

 

 

 

 

 

Факультет технологий и качества

Кафедра стандартизации, сертификации и технологии продуктов питания

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: «Методы и средства измерения ускорения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработал: студент 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск,2011

Содержание

Введение

1. Общие понятия……………………………………………………………………………3
2. Виды акселерометров
1. Автомобильные акселерометры………………………………………………….....8
2. Пьезоэлектрические акселерометры………………………………………………14
3. Пьезорезистивные акселерометры………………………………………………...15
4. Интегральные акселерометры
1. Пленочные пьезоэлектрические акселерометры………………………….16
2. Объемные интегральные акселерометры………………………………….17
3. Поверхностные интегральные акселерометры……………………………19
3. Как правильно выбрать акселерометр. Принцип измерений………………………..20

Заключение………………………………………………………………………………….21

   Список использованной литературы……………………………………………………...22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В практической жизни человек  всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения  таких величин, как длина, объем, вес, время и другие.

Измерения являются одним  из важнейших путей познания природы  человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая  человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

 Все отрасли техники — от строительной механики и машиностроения до ядерной энергетики — не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции.

 Особенно возросла роль измерений в наш век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космонавтики. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измерительно-управляющих центрах.

 Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерения, — это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, то есть находим ее значение.

 В настоящее время установлено следующее определение измерения: измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В данном реферате мы рассмотрим, что является средством измерения и контроля ускорения. Какие методы применяют для измерения ускорения.

 

 

1. Общие понятия

        Акселерометр - чувствительный элемент, который измеряет ускорение; ускорение – норма изменения скорости относительно времени.

      

         Ускорение – вектор, который имеет величину и направление. Единица измерения акселерометра g – ускорение свободного падения, которое равно 9.81 . Акселерометр может фиксировать: вибрации, рывки, наклонное положение, столкновения и движение объекта.

        Перед обсуждением технологии и особенностей применения, необходимо сделать несколько общих замечаний.  
          

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

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

             Вибрация

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

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

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

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

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

             Ударные ускорения

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

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

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

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

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

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

          

 

       Измерение движения, фиксированного ускорения и низкочастотной вибрации

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

         Условия эксплуатации

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

Технология	Температурный диапазон
Пьезоэлектрические общего применения	-55…260°C
Пьезоэлектрические высокотемпературные	-55…650°C
Пьезоэлектрические низкотемпературные	-184…177°C
С выходом по напряжению общего применения	-55…125°C
С выходом по напряжению высокотемпературные	-55…175°C
Пьезорезистивные	-55…66°C

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

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

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

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

      

           Вес акселерометра

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

 

2. Виды акселерометров

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

 

 

 

 

 

1. Автомобильные акселерометры

В последние годы технологический  уровень микромеханических акселерометров значительно вырос: новые компоненты, размещаемые в рыночной нише прежней  или более низкой ценовой категории — стоимостью порядка $1-10 в объемах массового производства — характеризуются повышением общего уровня интеграции, улучшением характеристик и добавлением новых функций.

 Новые интегральные акселерометры, как правило, создаются на одном кристалле. Это означает размещение на одном кристалле как сенсорных элементов, причем чувствительных в направлениях трех измерительных осей, так и обрабатывающих устройств, и обеспечивает исполнение одной ИС функций датчика и электрической схемы обработки сигнала, для которой необходимо только несколько внешних дискретных компонентов.

             Существуют различные физические принципы и схемы детектирования, которые успешно применяются для создания автомобильных акселерометров, — пьезоэлектрические, пьезорезистивные, емкостные, электромагнитные, магнитные (эффекта Холла, магниторезисторы и т. п.), резонансные и конвекционные (тепловые акселерометры Memsic).

            Разработано множество альтернативных технологий акселерометров — индуктивные, магнитостриктивные, устройства на поверхностных акустических волнах, оптические, туннельные.

            Многие новые технологии также подходят для создания однокристальных микромеханических структур и интегральных микромеханических акселерометров с готовым выходом (под микромеханическими понимаются структуры, осуществляющие микроперемещения — порядка мкм и менее; в настоящее время актуальными становятся перемещения порядка А — инерционной массы внутри чувствительного элемента, выполненного на основе кремния и/или других материалов с применением методов производства интегральных схем: маскирования, фотолитографии и травления).

              На современном автомобильном рынке инерциального считывания наибольшее распространение получили емкостные MEMS-акселерометры — датчики ускорения, основанные на емкостном преобразовании микроперемещений инерционной массы. Причины их коммерческого успеха — простота сенсорного элемента, отсутствие необходимости в материалах со специальными свойствами, высокая чувствительность, малое энергопотребление, хорошая температурная стабильность, улучшенные шумовые характеристики, малый дрейф и низкая цена.

              Емкостные MEMS-акселерометры, производимые компаниями Analog Devices, Bosch, Delphi, Denso, Freescale, Kionix, Silicon Designs, STMicroelectronics, VTI Technologies, a также тепловые акселерометры Memsic занимают лидирующие позиции на современном автомобильном рынке. Среди известных MEMS-акселерометров представлены различные коммерческие продукты с аналогичной функциональной спецификацией, но с уникальным механическим дизайном считывающих элементов, выполненных на основе различных материалов, с применением различных технологий, методов интегрирования электроники и корпусирования устройств, а так же в различном ценовом диапазоне.

              Разнообразные акселерометры различаются по типу выхода— с аналоговыми или цифровыми ASIC-функциями—чувствительности, разрешению, линейности, частотной полосе, динамическому диапазону, поперечной чувствительности, температурным эффектам, шумовым характеристикам, способности выдерживать перегрузки и удары и другим показателям.

               Все эти факторы, а также цена должны приниматься в расчет при проверке интегрального компонента на соответствие назначению и условиям эксплуатации, для того чтобы комплексно оценить преимущества и недостатки инженерного дизайна данной модели автомобильной системы с акселерометром.

    а, б — физическая модель измерительной структуры (корпус преобразователя условно не показан)

1, 3 —неподвижные металлические  обкладки;

2, 4 — зафиксированные  печатные платы;

5 — подвижная обкладка;

6 — инерционная масса  (металл или диэлектрик);

7, 8 — слои диэлектрика; 

S — фиксированная площадь перекрытия обкладок; dl, d2 — переменные расстояния между обкладками;

а — акселерометр в состоянии  покоя;

б — под действием ускорения

 а; в — эквивалентная электрическая схема;

 г — размещение измерительных осей и степеней свободы (полуосей) относительно корпуса ИС в корпусе S0IC 16.

Рис. 1. Иллюстрация  измерительного принципа дифференциального  емкостного акселерометра.

           Многие преимущества и недостатки емкостных датчиков вытекают из их физической природы.

            Так, емкостные структуры просты в конструировании — в зависимости от размещения емкостного чувствительного элемента относительно ИС или печатной платы, они позволяют детектировать ускорения в направлении любой из шести степеней свободы. С развитием технологий MEMS данное преимущество дополнилось возможностью детектировать три измерительные оси посредством только одной .

 

 

а — физическая модель акселерометра  под действием ускорения а (вид в сборке);

б — вид акселерометра в разрезе;

1 — элемент крепления диафрагмы — общий электрод с «земляным» экраном;

2 — металлическая диафрагма с отверстиями для газового демпфирования;

3, 6 —зафиксированные печатные платы;

4, 7 — терминалы для  снятия зарядового сигнала с неподвижных обкладок;

5, 8 — диэлектрические  слои;

9 — верхний «земляной» экран

  

Рис.2 Дифференциальный емкостной акселерометр с гибкой металлической диафрагмой (корпус преобразователя условно не показан)

Другое значимое преимущество емкостных акселерометров — температурный  дрейф конденсаторов небольшой  емкости и, следовательно, схема  температурной компенсации минимальна. Емкостные датчики обеспечивают широкий рабочий температурный диапазон, но важно подчеркнуть, что относительно нечувствительны к температурным вариациям емкостные акселерометры с газовым демпфированием, поскольку частотная полоса емкостного акселерометра также температурно чувствительна (вязкость демпфирующей жидкости является функцией температуры).

             Емкостные MEMS-акселерометры измеряют ускорения в диапазоне от <2 д/с (вплоть до статического) до нескольких сотен д/с, на частотах, как правило, до 1 кГц.

             Поскольку частотная полоса емкостных акселерометров ограничена значениями в несколько кГц, для описания этого типа датчиков используется динамическая модель. В динамике, в условиях отсутствия демпфирования, на частотах, значительно ниже резонансной, чувствительность акселерометра не зависит от частоты возбуждения. Напротив, возбуждение системы на частотах, близких к резонансной частоте, будет образовывать очень большие амплитуды колебаний, для предотвращения которых в систему вводится демпфирование.

              Особенности схемотехники емкостных акселерометров

             Автомобильные емкостные акселерометры требуют присутствия встроенной схемы формирователя сигнала, выполняющей функции преобразования изменений емкости в сигнал, совместимый со считывающей автомобильной аппаратурой, например, в пропорциональный аналоговый сигнал напряжения или токовый выход ШИМ, что логически подводит к актуальности однокристальных интегрированных устройств на основе технологических решений MEMS.

            Типичный подход к измерению емкости заключается в измерении импеданса на переменном токе, обычно при подаче на электроды возбуждающего сигнала источника питания в виде синусоидальных или прямоугольных импульсов напряжения. Выходной сигнал емкостного элемента является высокоимпедансным (1-100 МОм), для снижения которого целесообразно подавать питание высокой частоты (выше 50 к Гц). Высокие частоты помогают снизить уровень шумов.

           Обработка сигнала емкостного чувствительного элемента обычно производится в цепи демодулятора. Дополнительные элементы схемы осуществляют усиление и фильтрацию сигнала.

          Датчики, возбуждаемые непрерывным волновым сигналом, используют синхронные демодуляторы, обеспечивающие высокую точность и минимизирующие влияние рабочих частот.

         Дифференциальные акселерометры (например, представители семейства ADXL Analog Devices, которые обеспечивают нелинейность <0,2%) используют для питания неподвижных обкладок равные, но противофазные напряжения частотой порядка 1 МГц — при нулевом положении подвижной обкладки они дадут нулевое выходное напряжение на входе демодулятора.

        Другой распространенный метод измерения емкости состоит в применении усилителя заряда, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения. Типичные значения нелинейности, обеспечиваемые этим методом, составляют порядка 1% (например, линейка акселерометров Freescale). Альтернативный метод использует усилитель напряжения, который позволяет получить более линейную (с линейностью порядка 0,5%) зависимость напряжения на подвижной обкладке как функцию изменения расстояния.

        Эффективный способ устранения нелинейности зависимости емкости от перемещения — применение цепи обратной связи в так называемых сервоакселерометрах, позволяющих получать линейный выходной сигнал.

         Сервоакселерометры (Force Balance)

          Акселерометры, рассматриваемые до сих пор (включая пьезоэлектрические, пьезорезистивные или емкостные), классифицируются как устройства незамкнутого цикла — open-loop-акселерометры, и составляют большинство коммерчески доступных устройств. В датчиках этого типа непосредственно регистрируется малое конечное перемещение сейсмической массы, пропорциональное ускорению. Этот тип акселерометров отличается погрешностями измерений и нелинейностью.

        Среди емкостных акселерометров широко распространены устройства, работающие в режиме замкнутого цикла, — так называемые closed loop, force balanced (балансируемые силой) или servo (следящие) акселерометры, которые используют полученный сигнал изменения в емкости в качестве напряжения обратной связи, противодействия движению массы и удержания ее в центральном положении (принудительная обратная связь). В случае емкостных устройств сервотипа разности потенциалов между одним неподвижным сенсорным электродом и подвижной массой и между массой и другим электродом контролируются таким образом, что электростатическая сила стремится отменить перемещение, наводимое ускорением. Помимо того что подавляется перемещение массы, одновременно достигается улучшение в чувствительности и частотных характеристиках. Удержание массы в сбалансированном режиме фактически исключает ошибки вследствие нелинейностей и способствует уменьшению влияния температуры окружающей среды, временных изменений параметров и т. д.

            Эквивалентная линейная физическая модель, иллюстрирующая принцип работы сервоакселерометра в направлении одной степени свободы (полуоси), показана на рисунке.

 а— направление ускорения, действующего на датчик;

1— корпус устройства; 2— пружина;

3— инерционная масса  (с ферромагнитным материалом);

4— демпфер;

5— механический ограничитель перемещений при перегрузках (выходе за допустимые рабочие пределы

ускорения а);

6— постоянный магнит, прикрепленный к массе 3; 7—  датчик Холла;

8— электромагнит; 

Fsn, F, Fl, F2 — силы, действующие в модели

 

Рис. 3. Сервоакселерометр

В емкостном closed-loop-акселерометре емкостной элемент также регистрирует перемещение инерционной массы, но в сервоцепи вводится отрицательная обратная связь — напряжение, снятое с чувствительного емкостного элемента (с выхода предусилителя) и пропорциональное ускорению, возвращается на обкладки датчика, создавая электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, возвращающие инерционную массу в исходное состояние.

Размеры емкостного микромеханического элемента позволяют эффективно использовать электростатические силы для осуществления сброса, с одновременным преимуществом малого потребления мощности и недостатком, состоящим в том, что электростатические силы — нелинейная функция приложенного напряжения, и при больших смещениях массы они могут вызывать ее «прилипание» к одной из неподвижных обкладок.

Выделяются три метода осуществления сброса:

1.  Аналоговый — напряжение прикладывается к обоим, подвижным и неподвижным, электродам, электростатическая сила удерживает массу в центральном положении. Приложение смещающего напряжения линеаризует отрицательную обратную связь при малых отклонениях массы.

2.  Цифровой — сигналы ускорения и обратной связи разделяются во времени: в течение первого короткого периода времени датчик определяет положение инерционной массы, предоставляя выход в цифровом формате, в течение второго периода времени обратная связь (электростатическая сила) обеспечивается посредством импульсов напряжения, приложенных к электродам. Метод осуществляется с применением сигма-дельта-модуляции, стабильность обеспечивается за счет того, что выходной сигнал является ШИМ, электростатическая сила определяется по среднему числу импульсов, и напряжение, фактически, прикладывается к одному из электродов, тогда как другой заземлен. Недостатком является сложность практических схем,