Акселерометры

МИНОБРНАУКИ РФ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное 

учреждение высшего профессионального  образования 

«Тульский государственный  университет»

Кафедра «Приборы управления»

 

 

Физико-теоретические основы построения приборов и систем управления и навигации

Курсовая  работа

«Акселерометры»

 

 

 

Выполнил:  ст. гр. 130801                                                                    Евсеев А.М.

 

Проверил:                                                                                       Лихошерст В. В.

    

 

 

 

 

 

 

Тула 2012

 

Содержание

С.

Введение 3

1 Основные параметры 4

2 Виды акселерометров 5

Заключение 12

Список использованных источников 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Акселеро́метр (лат. accelero — ускоряю и др. греч. μετρέω «измеряю») — прибор, измеряющий проекцию кажущегося ускорения (разность между абсолютным ускорением объекта и гравитационным ускорением, точнее ускорением свободного падения. Существуют трёхкомпонентные (трёхосевые) акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трём осям.

Некоторые акселерометры также  имеют встроенные системы сбора  и обработки данных. Это позволяет  создавать завершённые системы  для измерения ускорения и  вибрации со всеми необходимыми элементами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основные параметры

Основными параметрами акселерометра  являются

• Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
• Смещение нуля — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.
• Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
• Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды акселерометров:

 

 Линейные акселерометры

Сенсоры, которые реагируют на ускорение  и измеряют его, называютакселерометрами . Различают сенсоры линейного и углового ускорения.

Акселерометр, который измеряет линейное ускорение, т.е. ускорение поступательного движения тела, состоит из инертной массы М, упругого элемента У и демпфера Д (рис. 4.1). Конструкцияакселерометра должна быть такой, чтобы инертная масса М могла перемещаться лишь вдоль одной прямой, которую называют осьюакселерометра. В контролируемом объекте, движущемся с ускорением а в направлении оси акселерометра, на массу М действует сила инерции, которая согласно второму закону Ньютона равняется Ма. Под действием этой силы инертная масса М приходит в движение, деформируя упругий элемент У, который противодействует движению. Чтобы в этой механической системе не возникали продолжительные колебания, используется демпфер Д, который тоже оказывает сопротивление движению инертной массы М с силой, пропорциональной скорости ее движения, и превращает энергию колебательного движения в тепло.

 
Рис. 4.1.  Принципиальная механическая схема акселерометра

Движение инертной массы М описывается дифференциальным уравнением 2-го порядка:

(4.1)

где   – отклонение инертной массы М от положения равновесия;   – коэффициент затухания, обусловленный демпфированием;   – коэффициент жесткости упругого элемента;   – текущее ускорение объекта, на котором установлен акселерометр.

Демпфер обычно регулируют так, чтобы  коэффициент затухания достиг критического значения. В этом случае время реакции акселерометра на изменение ускорения оказывается наименьшим, и даже при скачкообразном изменении ускорения   колебания вокруг нового положения равновесия не возникают. Чтобы определить ускорение  , достаточно измерить отклонение   от положения равновесия или силу  , которая действует на упругий элемент.

Таким образом, инертная масса М обеспечивает преобразование первичного информационного сигнала в виде линейного ускорения в механическое перемещение или в силу деформации упругого элемента. Упругий элемент обеспечивает линейность или, по крайней мере, взаимную однозначность преобразования. А демпфер предотвращает возникновение длительных колебательных процессов. Получается, что все они являются необходимыми составными элементами акселерометра.

На рисунке показана конструкция емкостного акселерометра, изготовленного с использованием МСТ. В кристалле кремния 1 вытравлены участки 2 так, что значительная инертная масса 3 механически отделена от других частей акселерометра. Она соединена с ними лишь тонкими перемычками 4, которые играют роль упругих элементов. На небольшом расстоянии (~ 10 мкм) от кристалла кремния сверху и снизу расположены металлические электроды 5 и 6. Роль демпфера играет вязкая непроводящая жидкость, которой заполняется пространство между электродами и кремнием.

 
Конструкция емкостного акселерометра

Инертная масса 3 в такой конструкции  может перемещаться только по вертикали. Электрические ёмкости между  ней и верхним (нижним) электродами включены в противоположные плечи электрической мостовой схемы переменного тока. Её балансируют так, чтобы при отсутствии ускорения сигнал на выходе равнялся нулю. Когда объект, на котором установлен акселерометр, движется с ускорением, направленным вдоль оси сенсора, инертная масса 3 смещается из положения равновесия, вследствие чего одна из емкостей возрастает, а другая уменьшается. Из-за нарушения баланса на выходе мостовой схемы появляется напряжение соответствующего знака и тем большее, чем больше ускорение. Мостовую электрическую схему, необходимые электронные ключи, усилители, элементы термокомпенсации, – все, что требуется для обработки сигналов и калибровки акселерометра, – формируют ныне методами МСТ на том же кристалле кремния.

В описанной конструкции акселерометра ускорение, которое и является здесь первичным информационным сигналом, сначала превращается в линейное перемещение инертной массы. Перемещение, в свою очередь, преобразуется в изменение емкости верхнего и нижнего конденсаторов, а последнее – в электрический сигнал. Емкостные акселерометры марки ММА62хх, в том числе и для спортивных применений, выпускает, например, фирма Freescale Semiconductor Inc.

В пьезорезистивных акселерометрах измеряется не линейное перемещение инертной массы, а сила, которая действует на упругий элемент. Для измерения этой силы в упругих элементах формируют кремниевые пьезорезисторы. Например, в конструкции, показанной на рисунке, их формируют прямо в перемычках 4. Опорные пьезорезисторы, которые нужны для температурной компенсации, формируют на том же кристалле кремния в местах, где механическое напряжение не возникает, и включают в другое плечо мостовой электрической измерительной схемы.

Угловые акселерометры

Для измерения угловых ускорений требуется ротор 1 с достаточно большим моментом инерции (рис. 4.3) относительно оси вращения 2. Этому вращению должен противодействовать упругий элемент закручивания 3, который создает момент силы, пропорциональный углу закручивания. И также нужен демпфер, который гасит энергию возникающих крутильных колебаний. Тогда в случае возникновения углового ускорения контролируемого объекта в направлении оси акселерометра, ротор 1 под действием момента инерции поворачивается на определенный угол.

 
Рис. 4.3.  Механическая схема углового акселерометра: 1 - ротор; 2 - ось вращения; 3 - упругий элемент; 4 - нижняя опора; 5 - верхняя опора

Вращение ротора описывается дифференциальным уравнением, аналогичным (4.1), в котором  массу надо заменить на момент инерции ротора, линейное смещение   на угол поворота, а линейное ускорение – на угловое ускорение. Роль демпфера играет регулируемый момент сил трения между осью ротора и опорами. Измеряя угол закручивания или момент силы на упругом элементе, можно определить величину углового ускорения.

С использованием микросистемных технологий угловые акселерометры нынче тоже делают в микроминиатюрном исполнении.

 

Пьезоэлектрические акселерометры

Является универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров.  
Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.  
Основным элементом пьезоэлектрического акселерометра является диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого нормально используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

 

 

IEPE-акселерометры

Пьезоэлектрические акселерометры  с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры специально предназначены для измерения вибраций в малых структурах (например, малогабаритных). Их высокая выходная чувствительность, высокое отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания позволяют использовать их и как устройства общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры являются инструментами с очень хорошими рабочими характеристиками, имеющими более высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры (без интегральных предусилителей). Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей среды, имеют низкую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и низкое выходное полное сопротивление благодаря внешнему источнику постоянного тока. Низкоимпедансный выход позволяет использовать недорогие коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры являются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и возникновения условий перегрузки.

 

Пьезорезистивные акселерометры

Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Монолитный датчик акселерометра включает в себя встроенные механические ограничители и обладает очень высокой прочностью при очень хорошем соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа идеально подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предназначены для испытаний на столкновение с препятствием, на флаттер, на езду по трудным дорогам, а также для биодинамических измерений и тому подобных приложений, требующих минимальной нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их можно также использовать для ударных испытаний легких систем или конструкций, они соответствуют спецификациям SAEJ 211 для антропоморфной макетной измерительной аппаратуры. Имея частотную характеристику, которая простирается до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры идеально подходят для измерений длительных переходных процессов, а также кратковременных ударных воздействий. Во многих случаях чувствительность оказывается достаточно высокой и предусиления выходного сигнала не требуется.

 

 

Пьезорезистивные акселерометры имеют минимальное демпфирование, поэтому не создают фазового сдвига на низких частотах. Однако им присущи проблемы при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих недостатков требуется принимать специальные меры.

 

Применение акселерометров

Акселерометр может применяться  как для измерения проекций абсолютного  линейного ускорения, так и для  косвенных измерений проекции гравитационного ускорения. Последнее свойство используется для создания инерциальных навигационных систем, где полученные с их помощью измерения интегрируют, получая инерциальную скорость и координаты носителя, при регистрации амплитуд выше собственной резонансной частоты можно измерять непосредственно собственную скорость акселерометра.

Электронные В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок — путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т. д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.

Наравне с гироскопом является неотъемлемым компонентом навигации (системы управления траекторией движения) ракет и других беспилотных летательных аппаратов.

Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.