Акселерометры — приборы для измерения ускорения — имеют широкую сферу применения: от навигационных систем в авиации и космонавтике до измерений сейсмоактивности и врачебной диагностики двигательных нарушений. Сегодня это устройство интегрировано в каждый современный смартфон: благодаря акселерометру при изменении положения экрана меняется ориентация изображения с книжной на альбомную. Ученые из подведомственного Минобрнауки России Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН (филиал Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН) запатентовали новую конструкцию прибора, сделав его пригодным для измерения изменяющегося со временем ускорения и исключив необходимость в частой калибровки датчика.
Акселерометры бывают нескольких типов: емкостные, микромеханические, инерционные. Механизм работы последних связан со смещением из «нулевого» положения специальным образом спроектированного тела — чувствительного (инертного) элемента — под воздействием приложенного ускорения. В определенной степени перспективным специалисты считают инерционный акселерометр, специальный элемент которого погружен в магнитную жидкость: он «плавает» в ней, не касаясь внутренних стенок устройства. С отсутствием прямого механического контакта между инертным элементом и корпусом устройства связано его основное преимущество — высокая чувствительность к малым ускорениям. Также этот прибор отличает относительно низкая стоимость производства, поскольку в конструкции механической части не используются полупроводниковые или микромеханические элементы.
Широкому коммерческому применению таких датчиков ускорения препятствуют факторы, ограничивающие его работоспособность. Во-первых, нелинейность силы, возвращающей чувствительный элемент в положение равновесия, не позволяет измерять изменяющееся со временем ускорение. Во-вторых, чувствительность магнитной жидкости к переменам температуры, времени работы и ее интенсивности, влияет на характеристики формируемого полезного сигнала и требует слишком частой калибровки датчика. Для решения этих проблем пермские ученые предложили новую конструкцию акселерометра.
«Как и у устройств-предшественников, чувствительный элемент акселерометра возвращается в положение равновесия в результате взаимодействия с полем магнитной системы, размещенной на корпусе прибора. В предложенной конструкции магнитная система спроектирована таким образом, что осевой градиент напряженности магнитного поля линеен, что приводит к линейности силы, действующей на чувствительный элемент при его смещении из «нулевого» положения. В результате это приводит к прямой пропорциональности между величиной измеряемого ускорения и величиной выходного сигнала, т. е. выполняется основное требование к конструкции любого прибора, предназначенного для измерения меняющегося во времени внешнего воздействия», — пояснил Алексей Иванов, разработчик конструкции, соавтор патента, заведующий лабораторией Динамики дисперсных систем Института механики сплошных сред Уральского отделения РАН.
В новой модели датчика ученые также предложили отказаться от магнитных методов измерения величины смещения. Для формирования полезного сигнала в конструкцию введен лазерный интерферометр или триангуляционный дальномер, а на торцах чувствительного элемента размещены отражающие элементы таким образом, что их контакт с магнитной жидкостью исключен. Так, в новой конструкции магнитная жидкость выполняет лишь роль «смазки», предотвращающей трение чувствительного элемента о стенки устройства, и в формировании полезного сигнала непосредственно не участвует. Это исключает необходимость постоянной калибровки датчика
Предлагаемые технические решения были реализованы в действующем лабораторном макете. Авторы изобретения получили патент. В скором времени научный коллектив планирует создать инженерно-физическую модель устройства, необходимую перед запуском в производство.