Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения

Нужен акселерометр? Столкнувшись с разнообразием технологий, формы, размера, диапазона измерений, нововведений даже самые опытные инженеры могут столкнуться с проблемой выбора правильной модели. Надеемся, что данная статья поможет быстрее сориентироваться в широкой номенклатуре акселерометров.

Принцип измерений

Первый шаг к правильному выбору акселерометра – это определение наиболее подходящего параметра измерений. Сегодня используются три технологии построения акселерометра:

- пьезоэлектрические акселерометры – самый распространенный на сегодняшний день вид акселерометров, которые широко используются для решения задач тестирования и измерений. Такие акселерометры имеют очень широкий частотный диапазон (от нескольких Гц до 30 кГц) и диапазон чувствительности, а также выпускаются в различных размерах и формах. Выходной сигнал пьезоэлектрических акселерометров может быть зарядовым (Кл) или по напряжению. Датчики могут использоваться для измерений как удара, так и вибрации.

- пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Еще одна область их применения – испытания на безопасность при столкновении. В большинстве своем пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном частот (от нескольких сотен Гц до 130 кГц и более), при этом частотная характеристика может доходить до 0 Гц (т.н. DC датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.

- акселерометры на переменных конденсаторах относятся к компонентам новейших технологий. Как и пьезорезистивные акселерометры, они имеют DC ответ. Такие акселерометры отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3000 Гц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурной диапазоне до 180°C не превышает 1.5 %. Акселерометры на переменных конденсаторах используются для измерений низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения.

Измеряемые параметры

Схематично, параметры, измеряемые акселерометрами, можно сгруппировать в следующие классы:

• измерение вибрации: объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также на промышленном производстве.
• измерение ударных ускорений: внезапное возбуждение структуры, создающее резонанс. Ударный импульс может создаваться взрывом, ударом молотка по предмету или в результате столкновения с другим объектом.
• измерение движения: медленное перемещение со скоростью от доли секунды до нескольких минут, например, перемещение руки робота или подвеска автомобиля.
• сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации. Такие измерения требуют специализированных малощумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмоисследований контролируют движения мостов, полов, а также определяют землетрясения.

Общие понятия

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).

Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ или ±3 дБ. Эти значения указывают на точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Многие data sheet содержат графики типичной АЧХ, которые иллюстрируют флуктуацию точности компонента в различных частотных диапазонах.

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.

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%.

Чувствительность и разрешение

Когда необходимы датчики с малым выходным сигналом или широким динамическим диапазоном, следует обратиться к параметрам разрешения и чувствительности.

Акселерометр преобразовывает механическую энергию в электрический выходной сигнал. Такой сигнал может выражаться в мВ/г или в пКл/г (для датчиков с зарядовым выходом). Обычно линейка акселерометров содержит несколько моделей с различной чувствительностью, оптимальное значение которой зависит от уровня измеряемого сигнала. Например, для измерений сильных ударных колебаний требуются датчики с низкой чувствительностью.

Для приложений, требующих измерений малых ускорений, лучшим решением будет использование акселерометра с высокой чувствительностью, где выходной сигнал будет выше уровня шума усилителя. Например, если ожидается уровень вибрации 0.1g, а чувствительность датчика составляет 10 мВ/g, напряжение выходного сигнала составит 1 мВ и потребуется акселерометр с более высокой чувствительностью.

Разрешение связано с минимальным значимым сигналом акселерометра. Этот параметр базируется на уровне собственных шумов акселерометра (а при выборе IEPE акселерометра, и на внутренней электронной схеме) и выражается в g rms.

Перейти в каталог "Датчики ускорения"

Новинки

о сенсорике

Мы работаем на рынке промышленной автоматизации и датчиков более 10 лет.

Материалы: http://www.sensorica.ru/docs/art2.shtml

Точная оценка ускорения либо замедления автомобиля для систем активной и пассивной безопасности или навигации так же важна, как вестибулярный аппарат – для человека. Эти силы имеют несколько направлений, поэтому применяют датчики различных конструкций.

Поворот автомобиля вокруг вертикальной оси обычно измеряют гиродатчики. Сейчас наиболее распространены датчики вибрационного типа. По сравнению с привычными роторными гироскопами они более просты и дешевы, но при этом точность у них сопоставимая.

В системах курсовой устойчивости и навигации используют датчики на пьезоэлектрическом эффекте. Пьезокристаллы могут деформироваться под действием электрического напряжения (топливные пьезофорсунки) и, наоборот, создавать напряжение при деформации (датчики детонации). В гиродатчиках использованы оба этих свойства.

Гиродатчик навигации состоит из треугольной стойки и расположенных на каждой грани пьезодатчиков: одного возбуждающего и двух приемных. При подаче напряжения на возбуждающий датчик он заставляет вибрировать всю стойку. Приемные датчики преобразуют эту вибрацию в выходное напряжение. Первоначальная вибрация необходима для калибровки и снижения искажений сигналов, дополнительно обеспечивая постоянный выходной сигнал от гиродатчика. Под действием сил при повороте автомобиля приемные стороны стойки деформируются. Два приемных пьезодатчика преобразуют деформацию в электрические сигналы для определения угла поворота.

В системе курсовой устойчивости (ESP) применяют гиродатчик камертонного типа, в котором тоже использован пьезоэлектрический эффект. Двойной камертон изготовлен из пьезокристалла и состоит из трех частей (рис. А): средней, возбуждающей и измерительной. Средняя часть закреплена внутри датчика. Камертон возбуждения при подводе напряжения создает первоначальную вибрацию (рис. В). Измерительный камертон под воздействием сил при повороте деформируется. Его скручивание меняет распределение заряда, и это фиксируется электроникой датчика (рис. С) для определения момента вращения автомобиля вокруг вертикальной оси.

Датчики продольного и поперечного ускорений применяются для систем курсовой устойчивости и пассивной безопасности. Устроены они по одному принципу: в зависимости от способа установки один и тот же датчик способен измерять ускорения в разных направлениях.

Ускорение или замедление определяют по перемещению подвижно закрепленной массы внутри датчика. В пьезодатчиках изгибается упругая пьезопластина, а в механических датчиках дополнительный элемент (датчик Холла) отслеживает перемещение подпружиненного груза. Другим видом стал аналог, в котором механическая часть выполнена из кремния. Все эти датчики имеют внутреннюю схему измерений и передают уже обработанный сигнал.

Проще устроен емкостный датчик ускорения. Он состоит из двух одноименно заряженных пластин и подвижно закрепленной между ними пластины с противоположным зарядом, которая перемещается при ускорении/замедлении автомобиля. Работа датчика основана на зависимости емкости конденсатора от расстояния между пластинами. Одновременно это расстояние

соответствует разности потенциалов между пластинами: чем ближе пластины друг к другу, тем больше напряжение. По его изменению определяется перемещение подвижной части датчика.

В случае отказа датчика загорится индикация неисправности связанной с ним системы безопасности. Код и описание ошибки можно извлечь только с помощью компьютерной диагностики. Без необходимости датчики лучше не трогать и самостоятельно не заменять. Они требуют тщательной установки и контролируемого момента затяжки крепежа, иначе пострадает точность измерений. После замены некоторым датчикам необходима инициализация с помощью компьютера. При всей своей сложности они очень надежны, и меняют их обычно из-за механических повреждений. Ремонт не предусмотрен, а пострадать они могут даже от падения на пол.

Часто датчик поперечного ускорения устанавливают в одном корпусе с датчиком вращения вокруг вертикальной оси. Такой комбинированный элемент стал одним из «органов чувств» для систем курсовой устойчивости.

Материалы: http://www.zr.ru/content/articles/603580-izuchaem-datchiki-uskoreniya-tradicionnaya-orientaciya/

В качестве модуля АЦП для целей диагностики воспользуемся стандартным модулем Е14-440. Модуль E14-440 является современным универсальным программно-аппаратным устройством для использования со стандартной последовательной шиной USB и предназначен для построения многоканальных измерительных систем ввода, вывода и обработки аналоговой и цифровой информации в составе персональных IBM-совместимых компьютеров. Следует также отметить, что модуль Е14-440 внесен в Государственный реестр средств измерений.

На модуле установлена одна микросхема АЦП, на вход которой при помощи набора коммутаторов может быть подан усиленный сигнал с одного из 16 или 32 аналоговых каналов на внешнем разъёме. Типовые характеристики всего входного аналогового тракта приведены в нижеследующей таблице.

Параметры входного аналогового тракта

16 дифференциальных или 32 с общей землей

Диапазоны входного сигнала

±10 В; ±2.5 В; ±0.625 В; ±0.156 В

Напряжение синфазного сигнала

±10 В (не зависит от диапазона)

Разрядность, рассчитанная по отношению сигнал/шум на заземленном входе PGA при частоте АЦП 400 кГц

Усиление 1 13.8 бит Усиление 4 13.8 бит Усиление 16 13.5 бит Усиление 64 13.0 бит

Разрядность, рассчитанная по отношению сигнал/(шум + гармоники) полученная при оцифровке синусоидального сигнала час-той 10 кГц с амплитудой 2.5 В при частоте запуска АЦП 400 кГц

Усиление 4 13.2 бит

Входное сопротивление при одноканальном вводе

Максимальная частота преобразования

При включенном питании ±30 В

При выключенном питании ±10 В

Интегральная нелинейность преобразования

Дифференциальная нелинейность преобразования

Макс. –1 до +1.5 МЗР

Смещение нуля без калибровки

Межканальное прохождение на частоте сигнала 10 кГц при коэффициенте усиления ‘1’ и макс. частоте запуска АЦП

На основании теоретических данных и проделанных экспериментов можно составить блок-схему алгоритма диагностирования (рис. 3.6).

Рис. 3.6 Блок-схема алгоритма диагностирования

Для модуля АЦП Е-14-440 используются 2 версии программного обеспечения: бесплатный начальный вариант LGraph2 либо коммерческий вариант Комплекс «ACTest©».

Программа имеет удобный графический многооконный интерфейс. Позволяет одновременно просматривать и сохранять данные с выбранных каналов АЦП указанное время, формировать файлы данных, экспортировать результаты в текстовый файл, просматривать сигналы в режиме «лупы», получать спектральные характеристики сигнала, строить гистограммы сигнала, редактировать данные (удалять блоки и сохранять их в отдельный файл). Возможен режим нормирования шкалы с учетом измеряемой физической величины. ПО позволяет работать со следующими устройствами сбора данных E14-140, E14-440, E-154, E20-10, L-783-86, L-780M, L-761-85.

Комплекс «ACTest©» предназначен для автоматизации работ на исследовательских, испытательных, технологических и контрольно-диагностических установках. Функционирует на РС-совместимом компьютере, оснащенном средствами сбора данных. Возможности комплекса по количеству, составу и характеристикам измерительных каналов зависят от использованных устройств сбора данных и производительности компьютера.

Программное обеспечение (ПО) комплекса позволяет осуществлять настройку сценариев эксперимента, хранение и поиск нужного сценария в базе данных, проводить измерения в реальном масштабе времени с одновременной архивацией и визуализацией экспериментальных данных, просматривать и анализировать результаты. В реальном масштабе времени производится первичная математическая обработка и допусковый контроль значений измеряемых параметров. Вся информация сохраняется в формате базы данных и доступна для последующей обработки и анализа.

В состав комплекса входит ПО вторичной обработки и визуализации результатов измерений. ПО комплекса выполнено по модульному принципу

(рис. 3.7) и включает:

Рис. 3.7 Структура программного обеспечения компалекса «ACTest©»

- модуль подготовки и проведения эксперимента «©-Composer» для создания, изменения, поиска, хранения и запуска сценариев экспериментов;

- модуль реального времени. Имеет две независимые подсистемы: «ACTest©-Registrator» – сбор и регистрация в реальном времени, включая программы первичной обработки, и «ACTest©-Visualizer» – средства визуализации. Обе подсистемы способны работать как единое целое на одном компьютере или по отдельности на различных компьютерах.

- модуль послесеансной обработки данных «ACTest©-Analyzer» для обработки и анализа результатов, включая программы математической обработки, а также различные варианты экспорта и импорта данных.

В состав комплекса входят модули, обеспечивающие выполнение дополнительных функций: сетевой обмен, сквозную калибровку измерительных каналов, архивацию, проигрывание и экспорт/импорт данных. Комплекс может функционировать как на одиночном компьютере, так и с использованием клиент-серверных технологий в рамках распределенной системы сбора и обработки данных.

Состав аппаратной части комплекса подбирается, исходя из требований задачи. ПО позволяет работать с устройствами сбора данных различных производителей, в частности: L-Card: L-761, L-780, L-783, L-791, L-1221, L-1250, E-140, E-440, E-270, крейтовые системы LTC и H-2000; - Центр АЦП: ЛА-2M5, ЛА-4, ЛА-7, ЛА-1,5PCI, ЛА-н10М6(7), ЛА-н10М6(7)PCI, ЛА-3USB, ЛА-10USB; - Fastwell: UNIO96-5, UNIO48-5, AI16-5A, AI8S-5A.

• National Instruments: устройства, поддерживаемые NI DAQ.

• Устройства, подключаемые по интерфейсам КОП (МЭК-625, IEEE-488), СОМ (232/485), USB, ARINC (ГОСТ18977-79), MIL-STD-1553B (ГОСТ 26765.52-87).

Стоимость ACTest –систем может варьироваться в пределах 15000-450000 рублей в зависимости от сложности поставленных задач.

Комплекс «ACTest©» не требует аппаратного ключа, привязан к конкретным экземплярам подсистемы сбора данных (ПСД) и может работать на любом компьютере, на котором установлены данные ПСД.

Для продолжения скачивания необходимо собрать картинку:

Материалы: http://studfiles.net/preview/6325296/page:11/