Як правильно вибрати акселерометр і датчик прискорення

принцип вимірювань

Перший крок до правильного вибору акселерометра - це визначення найбільш підходящого параметра вимірів. Сьогодні використовуються три технології побудови акселерометра:
- п'єзоелектричні акселерометри - найпоширеніший на сьогоднішній день вид акселерометрів, які широко використовуються для вирішення завдань тестування і вимірювань. Такі акселерометри мають дуже широкий частотний діапазон (від декількох Гц до 30 кГц) і діапазон чутливості, а також випускаються в різних розмірах і формах. Вихідний сигнал п'єзоелектричних акселерометрів може бути зарядовим (Кл) або по напрузі. Датчики можуть використовуватися для вимірювань як удару, так і вібрації.
- п'єзорезистивного акселерометри зазвичай мають малий діапазон чутливості, тому вони більше підходять для детектування ударів, ніж визначення вібрації. Ще одна область їх застосування - випробування на безпеку при зіткненні. Здебільшого п'єзорезистивного акселерометри відрізняються широким діапазоном частот (від декількох сотень Гц до 130 кГц і більше), при цьому частотна характеристика може доходити до 0 Гц (т.зв. DC датчики) або залишатися незмінною, що дозволяє вимірювати сигнали великої тривалості.
- акселерометри на змінних конденсаторах відносяться до компонентів новітніх технологій. Як і п'єзорезистивного акселерометри, вони мають DC відповідь. Такі акселерометри відрізняються високою чутливістю, вузькою смугою пропускання (від 15 до 3000 Гц) і відмінною температурною стабільністю. Похибка чутливості в повному температурної діапазоні до 180 ° C не перевищує 1.5%. Акселерометри на змінних конденсаторах використовуються для вимірювань низькочастотної вібрації, руху і фіксованого прискорення.

вимірювані параметри

Схематично, параметри, вимірювані акселерометрами, можна згрупувати в такі класи:

вимір вібрації: об'єкт вібрує, якщо він виробляє коливальні рухи щодо положення рівноваги. Вібрацію вимірюють в транспортній і аерокосмічної промисловості, а також на промисловому виробництві.
вимір ударних прискорень: раптове збудження структури, що створює резонанс. Ударний імпульс може створюватися вибухом, ударом молотка по предмету або в результаті зіткнення з іншим об'єктом.
вимір руху: повільне переміщення зі швидкістю від частки секунди до декількох хвилин, наприклад, переміщення руки робота або підвіска автомобіля.
сейсмоісследованія: вимірювання малих переміщень і низькочастотної вібрації. Такі вимірювання вимагають спеціалізованих малощумящіх акселерометрів з високою роздільною здатністю. Акселерометри для сейсмоісследованій контролюють руху мостів, підлог, а також визначають землетрусу.

загальні поняття

Перед обговоренням технології та особливостей застосування, необхідно зробити кілька загальних зауважень.
Частотна характеристика - це залежність електричного вихідного сигналу акселерометра від зовнішнього механічного впливу в частотному діапазоні з фіксованою амплітудою. Це один з основних параметрів, від якого залежить вибір того чи іншого компонента. Діапазон частот зазвичай визначається серією експериментів і вказується в специфікації. Зазвичай цей параметр вказується з точністю ± 5% від опорної частоти (зазвичай 100 Гц).

Багато компонентів специфіковані на ± 1 дБ або ± 3 дБ. Ці значення вказують на точність акселерометра в заданому частотному діапазоні. Багато data sheet містять графіки типовою АЧХ, які ілюструють флуктуації точності компонента в різних частотних діапазонах.

Інший важливий параметр акселерометра - число осей вимірювання. Сьогодні випускаються компоненти з однієї і трьома вимірювальними осями. Ще одна можливість побудови складної системи - це організація трьох акселерометрів в один вимірювальний блок.

Кращий вибір для вимірювання вібрації - це п'єзоелектричні акселерометри, завдяки їх широкій частотній характеристиці, гарної чутливості і високої роздільної здатності. Залежно від типу вихідного сигналу вони можуть бути з зарядовим виходом і з виходом по напрузі (IEPE).

Останнім часом широко використовуються акселерометри з вольта вихідним сигналом, оскільки вони зручні в застосуванні. Незважаючи на різноманітність торгових марок і модифікацій, всі виробники компонентів цієї групи дотримуються єдиної псевдо-стандарту, тому легко замінні між собою. Зазвичай такі акселерометри мають в своїй структурі підсилювач заряду, тому не вимагають додаткових зовнішніх компонентів. Все, що потрібно для підключення акселерометра, - це джерело постійного струму. Таким чином, для вимірювання вібрацій у відомому діапазоні і в межах температурної норми -55 ... 125 ° C (до 175 ° C для високотемпературних моделей) рекомендується використовувати п'єзоелектричні акселерометри з вихідним сигналом по напрузі.

Переваги акселерометрів з зарядовим виходом проявляються в можливості роботи при високих температурах і в широкому діапазоні амплітуди, який визначається настройками підсилювача заряду (зауважимо, що акселерометри по напрузі мають фіксований діапазон амплітуди). Типовий робочий діапазон температур становить -55 ... 288 ° C, а спеціалізовані компоненти можуть працювати в діапазоні -269 ... 760 ° C.

Однак на відміну від IEPE акселерометрів, ємнісні датчики вимагають застосування спеціальних малошумливих кабелів, ціна яких значно перевищує ціну на стандартні коаксіальні кабелі. Для підключення датчиків також будуть потрібні підсилювачі заряду і лінійні перетворювачі. Підводячи підсумки, можна прийти до висновку, що ємнісні акселерометри кращі для високотемпературних вимірювань невідомих заздалегідь прискорень.

У додатках, де потрібно вимірювати вібрацію дуже малої частоти, рекомендується використовувати акселерометри на змінних конденсаторах (VC). Їх частотна характеристика становить від 0 Гц до 1 кГц, в залежності від необхідної чутливості. При проведенні вимірювань низькочастотної вібрації VC акселерометр з частотної характеристикою 0-15 Гц буде мати чутливість 1 В / г. Такі датчики незамінні в електрогідравлічних шейкерах, в автомобілебудуванні, в тестових випробуваннях машин і конструкцій, в системах підвіски, залізничному транспорті.

ударні прискорення

Для вимірювань ударних прискорень використовуються дві технології, модельний ряд представлений компонентами на різний рівень сили удару і з різними вихідними характеристиками. Вибір акселерометра для ударних прискорень, в першу чергу, залежить від очікуваного рівня ударного прискорення.

Для вимірювання малих ударних прискорень можна використовувати акселерометри загального застосування. Акселерометр повинен мати лінійний діапазон до 500 г і ударостійкість 500 м Зазвичай для цього використовуються датчики з вихідним сигналом по напрузі, оскільки вони не чутливі до кабельних вібрацій. Для аттенюаціі резонансу рекомендується використовувати підсилювач з фільтром нижніх частот.

Для тестових випробувань машин на безпеку використовуються п'єзорезистивного акселерометри. Для вимірювань ударів в далекій зоні застосовуються спеціалізовані акселерометри з вбудованим фільтром і сдвиговой модою. Електронний фільтр зменшує власну резонансну частоту акселерометра для запобігання перевантаження устаткування.

Акселерометри для вимірювань в ближній зоні мають робочий діапазон до 20,000 м Тут вибір залежить від специфіки проведеного тесту, тому використовуються як п'єзоелектричні, так і п'єзорезистивного датчики. Зазвичай такі прилади мають вбудований механічний фільтр.

Також як і при вимірюванні вібрації, частотна характеристика є найважливішим параметром датчиків ударного прискорення. Бажано, щоб такі датчики мають широкий діапазон частот (близько 10 кГц).

Вимірювання руху, фіксованого прискорення і низькочастотної вібрації

Для таких цілей найбільш підходящим вибором стануть акселерометри зі змінною ємністю. Вони дозволяють вимірювати повільні зміни прискорення і низькочастотну вібрацію, при цьому рівень їх вихідного сигналу досить високий. Також, такі датчики забезпечують високу стабільність в широкому діапазоні робочих температур.
При установці VC акселерометра в положення, коли його вісь чутливості паралельна осі земного тяжіння, вихідний сигнал датчика буде дорівнює зусиллю в 1 м Така закономірність відома як DC відгук. Завдяки такій особливості, акселерометри на змінних конденсаторах часто використовуються для вимірювань відцентрової сили або прискорень і уповільнень підйомних пристроїв.

Умови експлуатації

Після вибору акселерометра відповідної технології і відповідає вимогам цільового застосування необхідно розглянути ряд наступних факторів. В першу чергу, це умови навколишнього середовища, де датчик буде використовуватися. Сюди відносяться робоча температура, максимальний рівень прискорення і вологість.

У випадку з акселерометром зарядового типу, динамічні характеристики не містять робочого діапазону, оскільки він багато в чому залежить від підсилювача заряду. Тут краще звернутися до лінійності амплітудної характеристики, яка вказується в розділі динамічних параметрів. Також як і в попередньому випадку, максимальний діапазон вимірювань, вказаний при певних умовах експлуатації, свідчить про граничну електричного навантаження на акселерометра.

Про можливості роботи датчиків у вологому середовищі свідчать різні покажчики на герметичність виконання корпусу. Слід зауважити, що безперервна зміна температурних умов може порушити епоксидну ізоляцію корпусу датчика.

Оскільки сучасні технології виробництва акселерометрів використовують немагнітні матеріали, магнітна чутливість рідко вказується в специфікації на компоненти. Якщо датчик призначений для установки на гнучкі поверхні, на провідне місце виходять параметри вигину підстави. Згин поверхні призводить до вигину підстави акселерометра, що може привести до помилкового спрацьовування датчика в результаті вібрації. Тому слід уникати застосування компресійних акселерометрів на гнучких поверхнях.

вага акселерометра

При зіткненні акселерометра і об'єкта вимірюється прискорення зміниться. Цього ефекту можна уникнути, якщо не забувати про вагу самого датчика. Як емпіричний правила можна прийняти те, що вага акселерометра повинен перевищувати вагу предмета не більше ніж на 10%.

Чутливість і дозвіл

Коли необхідні датчики з малим вихідним сигналом або широким динамічним діапазоном, слід звернутися до параметрів дозволу і чутливості.

Акселерометр перетворює механічну енергію в електричний вихідний сигнал. Такий сигнал може виражатися в мВ / г або в пКл / г (для датчиків з зарядовим виходом). Зазвичай лінійка акселерометрів містить кілька моделей з різною чутливістю, оптимальне значення якої залежить від рівня вимірюваного сигналу. Наприклад, для вимірювань сильних ударних коливань потрібні датчики з низькою чутливістю.

Для додатків, що вимагають вимірювань малих прискорень, найкращим рішенням буде використання акселерометра з високою чутливістю, де вихідний сигнал буде вище рівня шуму підсилювача. Наприклад, якщо очікується рівень вібрації 0.1g, а чутливість датчика складає 10 мВ / g, напруга вихідного сигналу складе 1 мВ і потрібно акселерометр з більш високою чутливістю.

Дозвіл пов'язано з мінімальним значущим сигналом акселерометра. Цей параметр базується на рівні власних шумів акселерометра (а при виборі IEPE акселерометра, і на внутрішній електронній схемі) і виражається в g rms.

Перейти в каталог "Датчики прискорення"