Акселерометр — это датчик, измеряющий разницу между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением (т.н. проекция кажущегося ускорения). Его появление связано с развитием техники в XIX веке и широким распространением транспортных средств на паровой тяге, двигателях внутреннего сгорания и электротяге.
Дальнейший научный прогресс и необходимость контроля динамических параметров различных объектов обусловили широкое внедрение акселерометров во многие области человеческой деятельности, в том числе и не связанные с движением транспортных средств. Открытие новых физических законов и увеличение технологических возможностей привело к появлению компактных и точных акселерометров, способных работать не только на механических принципах.
Современную технику сложно представить без датчиков, и акселерометры, пожалуй, самые распространенные из них. Они применяются в авиации, промышленности, быту, науке и медицине.
Немного истории
Первые акселерометры работали по механическому принципу, не отличались высокой точностью, были тяжелыми и громоздкими. Повсеместно устанавливать их на паровозы и автомобили начали в конце XIX века. Пионерами в этой области стали «Форд» и «Мерседес-Бенц».
В России акселерометры появились вместе с техникой иностранного производства. Но их эксплуатация оказалась затруднительна из-за климатических условий, что потребовало поиска новых материалов. В первую очередь это были сталь и особые сплавы, устойчивые к низким температурам и высоким вибрационным нагрузкам.
В советское время совершенствованием акселерометров занималось множество организаций, которые к началу XXI века разработали несколько типов акселерометров.
Классификация акселерометров
Среди всего многообразия акселерометров можно выделить несколько видов, отличающихся по принципу действия:
- Механические
- Волоконно-оптические
- Пьезоэлектрические
- Термальные (тепловые)
Механические акселерометры
Механические акселерометры имеют самую простую конструкцию. Современные приборы более компактные по сравнению с моделями XIX века, но работают по тому же принципу: подвешенный на пружине груз за счет инерции оказывает на нее воздействие, которое преобразуется специальным механизмом в линейное ускорение и передается на стрелку прибора.
Несмотря на сделанный технологиями существенный шаг вперед, механические акселерометры до сих пор используются в авиации в некоторых моделях самолетов. Например, акселерометр АМ-10. У них довольно высокая погрешность (до 0,2g для статических измерений и до 0,5g — для динамических) и низкая устойчивость к перегрузкам. К достоинствам прибора можно отнести длительный срок службы и устойчивость к средствам радиоэлектронной борьбы. Тем не менее полностью механические акселерометры в настоящее время практически не используются. К тому же в современных моделях все равно предполагается электронное считывание сигнала, что повышает уязвимость к средствам РЭБ.
Волоконно-оптические акселерометры
Волоконно-оптические акселерометры стали одним из ответов, повышающих устойчивость бортового оборудования летательных аппаратов к средствам радиоэлектронной борьбы, а также в целях повышения чувствительности приборов.
В основе работы волоконно-оптического датчика лежит модуляция оптического сигнала физическим воздействием. При этом модуляция может быть как внутренней (в этом случае волокно выступает в качестве чувствительного элемента), так и внешней, когда оно используется для передачи сигнала.
Развитие волоконно-оптических технологий позволило использовать датчики в средах, где раньше это вызывало большие трудности. Волоконно-оптические устройства можно эксплуатировать в:
· условиях повышенной радиации;
· агрессивных средах;
· условиях высоких электромагнитных помех;
· на большом расстоянии от считывающего устройства.
Помимо этого, датчики отличаются компактностью, малым весом, долгим сроком службы и экологичностью. К недостаткам можно отнести сложность конструкции некоторых датчиков и необходимость дополнительной обработки сигнала.
Пьезоэлектрические акселерометры
Общим свойством этой группы приборов является электрический выходной сигнал. Развитие электроники и материаловедения, не прекращающееся до сих пор, обусловило появление широкого спектра электронных акселерометров. Наиболее распространенными являются:
· пьезоэлектрические;
· пьезорезистивные;
· емкостные.
Принцип действия пьезоэлектрических акселерометров основан на прямом пьезоэлектрическом эффекте: при механическом воздействии на чувствительном пьезоэлементе (кристалле кварца или пьезокерамике) формируется электрический заряд, пропорциональный силе воздействия.
Пьезорезистивные акселерометры действуют на ином принципе: на одной или нескольких кремниевых балках крепится инерционная масса. Под действием ускорения она воздействует на балки, вызывая их деформацию, по величине которой определяется ускорение.
Емкостные акселерометры представляют собой переменный конденсатор, одна пластина которого жестко закреплена на корпусе прибора, а вторая — на инерционной массе. Смещение инерционной массы приводит к изменению емкости конденсатора, по величине которого определяется ускорение.
Емкостные акселерометры часто создаются на базе МЭМС-технологий, являются компактными и обладают большим потенциалом встраиваемости в современные электронные системы.
Применение акселерометров различных типов
Говорить о том, какие акселерометры лучше — пьезоэлектрические, пьезорезистивные или емкостные — было бы неправильно. Различия в принципе действия обуславливают разную реакцию прибора на те или иные воздействия.
Отличительными чертами пьезоэлектрических акселерометров являются:
- Широкий диапазон измерений (от 10-4 g до 104 g).
- Частотный диапазон 1 Гц — 20 кГц.
- Высокая точность.
- Температурная устойчивость (кварцевые элементы способны работать при температурах свыше 300°С).
- Работа в динамическом диапазоне (непригодны для статических измерений).
Наилучшая область применения пьезоэлектрических акселерометров — сильные вибрации и удары. Например, в подушках безопасности автомобилей или других областях, требующих работы в широком диапазоне измерений.
Пьезорезистивные акселерометры отличаются:
- Высокой резонансной частотой (порядка 10 кГц).
- Большой амплитудой сигнала.
- Возможностью работать в статическом режиме.
- Более узким рабочим диапазоном температур (-54 °С — +121 °С).
- Возможностью интеграции дополнительных схем.
Но главной отличительной чертой пьезорезистивных акселерометров является нечувствительность самого механизма к электромагнитным воздействиям.
Они применяются для измерения наклона, вибрации, инерциальных сил. В частности — в краш-тестах автомобилей. Имеют более низкую (по сравнению с пьезоэлектрическими) точность и температурную стабильность.
Емкостные акселерометры получили наибольшее распространение по сравнению со своими аналогами на пьезоэффекте, поскольку более универсальны и доступны по стоимости. При этом они имеют целый ряд эксплуатационных преимуществ:
- высокая чувствительность;
- стабильность измерения статического ускорения;
- малый дрейф нуля;
- температурная стабильность;
- высокая надежность.
Таким образом, акселерометры на пьезоэффекте больше подходят для решения специализированных задач и, как любое специализированное оборудование, имеют более высокую стоимость. Приборы, работающие на емкостном принципе, используются для выполнения широкого круга задач и имеют доступную цену, что является важным аргументом при коммерческом применении.
Тепловые акселерометры
Отдельно стоит упомянуть тепловые акселерометры, поскольку они обладают существенным преимуществом перед приборами, измеряющими ускорение за счет перемещения инерционной массы.
Главная отличительная черта тепловых акселерометров — отсутствие движущихся механических частей. Измерение ускорения происходит за счет определения температурного градиента от нагретого пузырька воздуха, находящегося между двумя термопарами. Эта особенность обеспечивает их высокую надежность и устойчивость к значительным перегрузкам — теоретический предел составляет 100 000 g. На практике самые устойчивые модели MEMSIC выдерживают до 50 000 g.
Заключение
Изначально акселерометр был довольно громоздким и грубым прибором, работающим исключительно на принципах классической механики. Но сейчас датчики ускорения включают в себя широкую номенклатуру приборов и эксплуатируют все известные науке эффекты: механические, электрические, тепловые и магнитные.
Различные технологии используются и при изготовлении акселерометров: так, например, пьезодатчики могут быть изготовлены в пленочном и объемном исполнении.
В текущей публикации мы в общих чертах рассмотрели наиболее распространенные типы измерителей ускорения и их основные особенности. Но охватить в одной статье все разнообразие существующих технологий изготовления акселерометров и областей их применения не представляется возможным, поэтому мы подготовили серию публикаций.