Дослідження параметрів акселерометра. Дослідження п'єзоелектричного акселерометра. Статичний режим випробування акселерометрів

Особливістю мікромеханічних акселерометрів є переважне виготовлення чутливих елементів цих пристроїв з матеріалів на основі кремнієвої технології, що визначає: малі габарити та вага акселерометра, можливість застосування групової технології виготовлення та, отже, дешевизну виготовлення при масовому виробництві, високу надійність в експлуатації.

Однією з основних причин, що спричиняють похибку вимірювань мікромеханічного акселерометра, є зміна температури навколишнього середовища. Додаткове усунення нуля через варіацію температури навколишнього середовища:

де k T - тепловий дрейф зсувів нулів акселерометрів; ?T - зміна температури за час випробування, T-швидкість зміни температури; t – час випробування.

Відомо, що точність вимірів обмежена як систематичної похибкою, а й спектральним складом шуму вимірів. Наприклад, у вимірах MEMS-датчиків присутній фліккер-шум, що фарбує шуми вимірів.

Фліккер-шум (надмірний шум) - аномальні флуктуації, для яких характерна обернено пропорційна залежність спектральної щільності потужності від частоти на відміну від білого шуму, у якого спектральна щільність постійна. Фліккер-шум був виявлений як повільні хаотичні зміни термоемісії катодів електронних ламп, що отримали назву "фліккер-ефект". Надалі флуктуації з такими ж властивостями були виявлені в багатьох фізико-хімічних, біологічних і навіть соціальних систем. В даний час термін "фліккер-шум", поряд з менш зручним, але більш адекватним терміном "1/f-шум", а також терміном "макрофлуктуація" використовується для позначення аномальних флуктуацій у складних системах. Різновидом фліккер-шуму є імпульсний (вибуховий) шум ступінчасті зміни рівня сигналу з випадково розподіленими інтервалами часу між змінами рівня. Його спектральна щільність потужності зростає зі зниженням частоти, обмежує можливість збільшення точності шляхом усереднення та не дозволяє знизити випадкову складову похибки до нуля. Крім того, в цифрових датчиках завжди є перешкода з частотою тактового генератора, що також надає забарвлення білому шуму.

Акселерометри, як і гіроскопи, страждають від усунення та дрейфів усунення, помилок невирівнювання, дрейфів під впливом температури та прискорень, нелінійності (так званої помилки VRE), а також дрейфу чутливості. Найважливішими характеристиками акселерометрів для їх порівняльного аналізу є усунення та його дрейфи, нестабільність усунення, а також шум. Також можуть братися до уваги дрейф чутливості, коефіцієнт нелінійності VRE та інші параметри.

Будь-яке зміщення акселерометра без прискорення при подвійному інтегруванні викликає помилку швидкості, пропорційну часу інтегрування, і помилку в обчисленому положенні, що зростає з часом квадратично. Неконтрольоване зміщення нуля викликає усунення вектора прискорення щодо його істинного напрямку, і це стосується не тільки датчиків лінійного прискорення, але і гравітаційного, яке має відніматися від загального виходу акселерометра. У системах інерційної навігації дрейф зміщення акселерометра робить істотний внесок у похибку обчислення швидкості та положення. При вимірі орієнтації найбільш істотними є кутові помилки обчислень нахилів поздовжньому та поперечному напрямках.

Нестабільність зміщення датчика є випадковими варіаціями зсуву, обчислені в певний часовий інтервал як усереднені значення. Цей параметр обчислюється методом Аллана для стаціонарного датчика. При збільшенні часу усереднення вихідний шум знижується і нахил досягає мінімальної точки, а потім збільшується знову. Мінімальна точка на кривій Аллана є нестабільністю зміщення, що наводиться в специфікаціях акселерометрів в мg або мкg. Чим нижче значення цього параметра, тим менша помилка обчислення швидкості, положення та орієнтації. Нестабільність усунення акселерометра у більшості специфікацій визначається виробниками як найкраща характеристика, досягнута в лабораторних умовах (при 20 ° C та відсутності механічних впливів). Стабільність зміщення в реальних умовах є максимальним дрейфом залишкової помилки зміщення після компенсації впливу зовнішніх факторів - температури, ударів, вібрацій, старіння.

Як було сказано вище, MEMS поділяють на два типи: сенсори та актюатори. Одним з найбільш застосовуваних видів сенсорів є датчики руху, які в свою чергу поділяються на акселерометри (датчики прискорення) та гіроскопи (датчики повороту). Застосування даних пристроїв на сьогоднішній день дуже широко: телефони, комунікатори, ігрові приставки, фотокамери та ноутбуки все частіше й частіше мають такі сенсори. У мобільних телефонах та відеоприставках чутливість до рухів користувача використовується переважно для розваги. А ось в портативних комп'ютерах акселерометри виконують дуже корисну функцію: вловлюють момент, коли жорсткий диск може зазнати пошкодження через удар і паркують головки диска. У фототехніці використання датчиків руху не менш актуальне – саме на їх основі працюють чесні системи стабілізації зображення.

Автовиробники (з масових індустрій вони першими випробували даного роду пристрої) вже кілька десятиліть активно експлуатують датчики руху, наприклад, у подушках безпеки та антиблокувальних системах гальм. Так що відповідні чіпи давно розроблені, випускаються цілим рядом великих і порівняно дрібних компаній і виробляються в таких кількостях, що ціни давно надійно збиті до мінімуму. Типовий MEMS-акселерометр сьогодні коштує кілька доларів за штуку.

За наявності прискорення вантаж зміщується щодо нерухомої частини акселерометра. Обкладка конденсатора, прикріплена до грузика, зміщується щодо обкладання на нерухомій частині. Місткість змінюється, при постійному заряді змінюється напруга - цю зміну можна виміряти і розрахувати усунення вантажу. Звідки, знаючи його масу та параметри підвісу, легко знайти і прискорення. На практиці, MEMS-акселерометри влаштовані таким чином, що відокремити один від одного складові - грузик, підвіс, корпус і обкладки конденсатора - не так просто. Власне, витонченість MEMS у тому і полягає, що в більшості випадків в одній деталі тут вдається (а точніше, просто доводиться) комбінувати відразу кілька предметів.

У плані архітектури МЕМС-пристрій складається з декількох механічних компонентів, що взаємодіють, і мікропроцесора, який обробляє дані, одержувані від цих компонентів.

Щодо технологій виробництва МЕМС, то тут використовується кілька основних підходів. Це об'ємна мікрообробка, поверхнева мікрообробка, технологія LIGA (Litographie, Galvanoformung та Abformung) - літографія, гальваностегія, формування) та глибоке реактивне іонне травлення. Об'ємна обробка вважається найбюджетнішим способом виробництва МЕМС. Її суть у тому, що з кремнієвої пластини шляхом хімічного травлення видаляються непотрібні ділянки матеріалу, у результаті на пластині залишаються необхідні механізми. Глибоке реактивне іонне травлення майже повністю повторює процес об'ємної мікрообробки, крім того, що для створення механізмів використовується плазмове травлення замість хімічного. Повною протилежністю цим двом процесам є процес поверхневої мікрообробки, при якому необхідні механізми вирощуються на кремнієвій пластині шляхом послідовного нанесення тонких плівок. І, нарешті, технологія LIGA використовує методи рентгенолітографії та дозволяє створювати механізми, висота яких значно перевищує ширину.

1. Мета та зміст роботи

Мета роботи – вивчення п'єзоелектричних акселерометрів та особливостей їх експлуатації. У процесі виконання лабораторної роботи студенти знайомляться з методом визначення амплітудних характеристик п'єзоакселерометрів та набувають практичних навичок у вимірі параметрів вібрації.

Опис лабораторної установки

На рис. 1 наведено схему лабораторної установки.

Всі експерименти проводяться на камертонному вібростенді, з оптичною системою для прямого вимірювання амплітудного значення переміщення. Камертонний вібростенд збуджується змінним струмом від лабораторного автотрансформатора, що живиться від мережі 220В, 50Гц. Коливання поверхні вібростенду відбуваються за гармонічним законом:

де – амплітуда вібропереміщення;

Частота коливань камертону, Гц.

Рис.1. Схема лабораторної установки:

1 – камертонний вібростенд;

2 – лабораторний автотрансформатор;

3 – блок живлення освітлювальної лампи;

4 - досліджувані датчики;

5 – електронний вольтметр;

6 – електронний осцилограф;

7 - генератор синусоїдального сигналу;

8 – універсальний міст;

9 – підсилювач заряду;

10 – магазин ємностей;

11 – сполучні кабелі.

Віброприскорення поверхні, виражене в одиницях прискорення вільного падіння, визначається формулою

де – друга похідна від функції за часом.

Регулюючи величину напруги живлення камертонного вібростенду можна змінювати величину .

Вібропереміщення визначається на експериментальній установці за допомогою вимірювального мікроскопа. Принцип дії вимірювача вібропереміщення пояснює рис. 2а. Світловий потік від лампочки потрапляє до об'єктиву мікроскопа. В окулярі мікроскопа при нерухомій поверхні камертону спостерігається вертикальна лінія - слід ризику, нанесеному на скляному колі невеликого радіусу, жорстко укріпленому на поверхні камертону (рис. 2б). Різкість зображення регулюється ГРУБО - зміщенням окуляра мікроскопа у напрямку світлового потоку і ПЛАВНО - обертанням окуляра навколо осі симетрії. При коливання поверхні камертона зображення ризики розпливається в смугу (рис. 2в), ширина якої дорівнює подвійній амплітуді вібропереміщення.

Рис. 2. Принцип дії вимірювального мікроскопа.

Електронний вольтметр необхідний вимірювання сигналів з датчиків. При користуванні цим приладом необхідно пам'ятати, що він вимірює значення змінної напруги, що діє, і, отже, чутливість повинна визначатися за формулою:

де - Вихідний сигнал з датчика за показаннями вольтметра, мВ;

Амплітуда вібропереміщення, мкМ;

Частота вібрації, Гц.

Для зменшення впливу випадкових похибок щодо чутливості вимірювання проводять раз, а значення визначають за формулою:

де і - значення вихідної напруги та вібропереміщення для кожного виміру.

Універсальний міст та вимірювальний генератор призначені для вимірювання ємності. Міст використовується в режимі виміру від зовнішнього джерела живлення (генератора), що має частоту вихідної напруги в межах 4-8 кГц.

Електронний осцилограф необхідний для контролю вихідних сигналів з датчиків і вимірювання частоти вібрації за методом фігур Ліссажу.

Порядок виконання роботи

Лабораторна робота виконується у такому порядку:

1. Визначення амплітудної характеристики п'єзоакселерометра:

а) підключити п'єзоаксерометр до мілівольтметра та магазину ємностей. На магазині ємностей виставити;

б) увімкнути вібростенд та зняти залежність вихідної напруги з п'єзоакселерометра від вібросміщення поверхні столу. Величини вібросміщень контролювати вимірювальним мікроскопом. Результати вимірювань занести до табл. 1 (п.1);

де - Частота вібрації, що визначається за методом фігур Ліссажу (рис. 3).

Таблиця 1

№№ п/п	, пФ	величини
		, мкМ ,
	=0	, МВ	U 11	U 21	U 31	U 41	U 51
	=500	, МВ	U 12	U 22	U 32	U 42	U 52
	=2500	, МВ	U 13	U 23	U 33	U 43	U 53
	=10000	, МВ	U 14	U 24	U 34	U 44	U 54

Рис.3. Схема вимірювання частоти методом фігур Ліссажу:

1 – електронний осцилограф;

2 – вимірювальний генератор.

2. Розрахунок амплітудно-частотної характеристики п'єзоакселерометра в області низьких частот:

а) підключити до входу універсального моста кабель від випробуваного перетворювача і зробити вимірювання величин і частоті 4-8 кГц;

де - частота напруги, що живить міст;

;

3. Визначення нижньої граничної частоти частотного діапазону п'єзоперетворювача, виходячи з умови

де - Відносна похибка амплітудно-частотної характеристики на граничній частоті.

Прийняти рівним (за вказівкою викладача) 0,02; 0,03; 0,05.

4. Визначення впливу ємності кабельної лінії на амплітудну та амплітудно-частотну характеристику п'єзоакселерометра:

Значення і взяти з даних пунктів 1в), 2а) і 2б);

б) на магазині ємностей виставити розраховане значення ємності та повторити процедуру отримання амплітудної характеристики п'єзоакселерометра при ємнісних навантаженнях =2500 пФ, =10000 пФ. Результати вимірювань звести у табл.1 (п.3 та п.4 відповідно).

5. Побудова графіків амплітудних характеристик при різних значеннях ємнісного навантаження:

а) амплітудні характеристики апроксимувати лінійними залежностями виду

( =1,2,3,4,5; =1,2,3,4)

б) цих же графіках завдати інші результати вимірів.

6. Побудова графіків амплітудно-частотних характеристик при різних ємностях навантаження та за заданою величиною визначення нижньої граничної частоти для кожного випадку.

7. Визначення амплітудної характеристики системи «п'єзоакселерометр – підсилювач заряду»:

а) зібрати схему системи (рис.4);

Рис.4. Схема системи "датчик - підсилювач заряду":

1 - датчик;

2- магазин ємностей;

3- підсилювач заряду;

4 універсальний вольтметр.

б) для кожного значення ємності навантаження визначити чутливість системи за методикою, викладеною у пунктах 1б) та 1г). Результати вимірювань звести до табл.2;

в) побудувати графіки амплітудних характеристик системи

при різних значеннях ємнісного навантаження.

8. Побудова графіків залежності чутливості п'єзоакселерометра від ємнісного навантаження за даними табл.1 та залежності чутливості системи від ємнісного навантаження за даними табл.2.

Таблиця 2

№№ п/п	, пФ	величини
		, мкМ ,
	=0	, МВ	U 11	U 21	U 31	U 41	U 51
	=2500	, МВ	U 12	U 22	U 32	U 42	U 52
	=10000	, МВ	U 13	U 23	U 33	U 43	U 53

9. Розрахунок похибки визначення чутливості датчика та системи за наступною методикою:

Висновок

Результатом бакалаврської роботи є створення семи лабораторних робіт: лабораторної роботи № 20 «Дослідження дротяних тензорезисторів та схем їх включення»; лабораторної роботи №21 «Реостатні перетворювачі»; лабораторної роботи №22 «Терморезистивні перетворювачі»; лабораторної роботи №23 «Вимірювальні ланцюги терморезисторів»; лабораторної роботи №24 «Термоелектричні перетворювачі»; лабораторної роботи №25 «Індукційний імпульсний тахометр»; лабораторної роботи №26 «Дослідження п'єзоелектричного акселерометра».

Кожна робота включає принцип дії, загальні технічні відомості, схеми експериментальної установки, методику проведення експериментів і опис лабораторної установки, методи розрахунку фізичних параметрів, а також порядок проведення роботи та зміст звіту.

Описи до цих робіт задовольняють рівню підготовки студентів. х - 3хкурси, а стенди відповідають умовам лабораторій МГУЛ.

Література

1. «Датчики теплофізичних та механічних параметрів». Довідник у трьох томах. Т.1 (кн.1) / За заг. ред. Ю. Н. Коптєва; За ред. Є. Є. Багдатиєва, А. В. Горіш, Я. В. Малкова. - М: ІПРЖР, 1998р.

2. «Первинні перетворювачі телеметричних систем». лабораторний практикум. Є. Є. Багдатиєв, В. Є. Миколаїв, В. Н. Гілевський. - М: 1986р.

3. Методичні вказівки до лабораторних робіт із дисципліни «Первинні перетворювачі телеметричних систем». Є. Є. Багдатиєв, А. Р. Глушко. - М: 1987р.

Надіслати свою гарну роботу до бази знань просто. Використовуйте форму, розташовану нижче

Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.

Розміщено на http://www.allbest.ru/

Вступ

акселерометрп'єзоелектричний мікросхема

Прилад, що вимірює проекцію прискорення (різниця між абсолютним прискоренням об'єкта і гравітаційним прискоренням, точніше прискоренням вільного падіння) називається акселерометр. Існують трикомпонентні (трьохосьові) акселерометри, які дозволяють вимірювати прискорення відразу по трьох осях.

Акселерометр може застосовуватися як вимірювання проекцій абсолютного лінійного прискорення, так непрямих вимірювань проекції гравітаційного прискорення. Остання властивість використовується для створення інклінометрів. Акселерометри входять до складу інерційних навігаційних систем, де отримані з їх допомогою вимірювання інтегрують, отримуючи інерційну швидкість та координати носія, при реєстрації амплітуд вище за свою резонансну частоту можна вимірювати безпосередньо власну швидкість акселерометра.

Електронні акселерометри часто вбудовуються в мобільні пристрої (зокрема, в телефони) і застосовуються як крокоміри, датчики для визначення положення в просторі, автоматичний поворот дисплея та інших цілей.

У пристроях управління ігрових приставок акселерометр спільно з гіроскопом використовуються для керування в іграх без використання кнопок - шляхом поворотів у просторі, струшування тощо. Наприклад, в контролерах Wii Remote і Playstation Move присутній акселерометр.

Акселерометри використовують у жорстких дисках для активації механізму захисту від пошкоджень, отриманих внаслідок ударів, струсів та падінь. Акселерометр реагує на раптову зміну положення пристрою та паркує головки жорсткого диска, що дозволяє запобігти пошкодженню диска та втраті даних. Така технологія захисту використовується в основному в ноутбуках, нетбуках та зовнішніх накопичувачах.

Акселерометр у промисловій вібродіагностиці є віброперетворювачем, що вимірює віброприскорення в системах неруйнівного контролю та захисту.

ІнтегральніАкселерометри.Загальнівідомості

Акселерометри є датчиками лінійного прискорення і в цій якості широко використовуються для вимірювання кутів нахилу тіл, сил інерції, ударних навантажень і вібрації. Вони знаходять широке застосування на транспорті, медицині, в промислових системах вимірювання та управління, в інерційних системах навігації. Промисловість виготовляє багато різновидів акселерометрів, що мають різні принципи дії, діапазони вимірів прискорень, масу, габарити та ціни. Порівняння основних типів акселерометрів дано у табл. 1. На рис. 1 показані області, які займають акселерометри різного типу на діаграмі «ціна-якість».

Рис. 1. Діаграма «ціна-якість» для різних типів акселерометрів

Сучасні технології мікрообробки дозволяють виготовити інтегральні акселерометри, що мають малі габарити та низьку ціну. В даний час виготовляються ІМС акселерометрів трьох типів: п'єзоплівкові, об'ємні та поверхневі.

Плівковіп'єзоелектричніакселерометри

Плівкові п'єзоелектричні датчики прискорення виконуються на основі багатошарової п'єзоелектричної полімерної плівки. Багатошарова плівка закріплена на підкладці з окису алюмінію, і до неї приєднана інерційна маса порошкового металу. При зміні швидкості руху датчика внаслідок дії інерційних сил відбувається деформація плівки. Завдяки п'єзоефекту виникає різниця потенціалів на межах шарів плівки, що залежить від прискорення. Чутливий елемент датчика має надзвичайно високий вихідний опір, тому на підкладці датчика ACH-01 компанії Atochem Sensors є також польовий транзистор з малим струмом затвора, який є підсилювачем напруги. Це дозволяє вимірювати змінні прискорення порівняно з низькою частотою. Датчики цього типу мають погану повторюваність характеристик у серійному виробництві, високу чутливість до зміни температури та тиску. Вони не можуть контролювати постійні прискорення та гравітаційні сили. Основна сфера застосування - схеми управління надувними подушками безпеки.

Об'ємніінтегральніакселерометри

Прикладом об'ємного датчика може служити NAC-201/3 Lucas NovaSensor, призначений для застосування в системах управління надувними подушками безпеки автомобілів. Цей датчик складається з двох пластин кремнію 1 та 2, які сплавлені один з одним (рис. 2). Трьома тонкими кремнієвими балками c, d і e, що є в пластині 1, інерційна маса з'єднана з кремнієвою рамкою b на пластині 2. Ця маса з'єднується з кремнієвою рамкою механічно з одного краю (точки f на рис. 2). Кожна з коротких зовнішніх (згинальних) балок містить пару імплантованих п'єзорезисторів, що утворюють напівміст. Два півмости з'єднуються в бруківку.

Коли відбувається зіткнення автомобіля з перешкодою, маса рухається вниз, згинаючи балки c, d, e та викликаючи деформацію п'єзорезисторів.

Таким чином, датчик і розташована поза кристалом електронна схема обробки сигналів створюють при роботі вихідний сигнал напругою від 50 до 100 мВ повної шкали, що викликається деформацією п'єзорезисторів, включених за схемою моста Уітстона.

Рис. 2. Інтегральний акселерометр об'ємної конструкції

Оскільки до надійності системи керування надувними подушками безпеки висуваються надзвичайні вимоги (уявіть собі наслідки помилкового спрацьовування подушки безпеки на жвавій автостраді при швидкості 150 км/год), датчик має систему самоконтролю. Ключову роль у системі самоконтролю грає резистор-збудник, який нагрівається пропусканням через нього електричного імпульсу з силою струму 50 мА, напругою 9 і тривалістю 50 мс. Коли балка, розташована в середній частині пластини 1, нагрівається, відбувається подовження, оскільки температурний коефіцієнт розширення кремнію позитивний. Оскільки кінці її закріплені, вона прогинається, відхиляє інерційну масу і згинає балку, що містить пьезорезистори. Ця балка зміщується приблизно на 3 мкм у тому напрямку, що і маса при зіткненні автомобіля з перешкодою.

Рис. 3. Основний конструктивний блок елементарного осередку датчика прискорення

Мікросхема датчика не містить схеми обробки сигналу вимірювального моста. Варіанти датчика відрізняються тим, що NAC-203 містить вбудовані товстоплівкові схеми, що дозволяють зробити лазерне підстроювання чутливості та температурної корекції в процесі виробництва, а NAC-201 реалізація цих функцій надається користувачеві. Вхідний та вихідний опори вимірювального мосту моделі NAC-201 дорівнюють 2 кОм. Смуга пропускання за рівнем 3 дБ становить 500 Гц. Резонансна частота приладів, змонтованих у повній відповідності до рекомендацій виробника, - не менше 10 кГц.

Рис. 4. Структурна схема ІМС акселерометра ADXL50

Інтегральні датчики прискорення об'ємної конструкції мають низку недоліків. По-перше, вони складні у виробництві, оскільки операції формування об'ємних структур не дуже поєднуються зі стандартними поверхневими інтегральними технологіями. По-друге, бажано мати датчик мінімально можливих розмірів на схемному кристалі і мінімально можливих розмірів. Зменшення розмірів кристала дає підвищення його механічної міцності та зниження вартості. У той же час в датчику об'ємної конструкції тільки розміщення чутливого елемента потрібно від 6,5 до 16 мм2 площі кристала. Розміщення на кристалі схем формування сигналу може збільшити цю площу ще вдвічі. Тому, зокрема, один із датчиків прискорення компанії Motorola має двокристальну конструкцію. В одному кристалі виконаний об'ємний чутливий елемент, але в іншому -- схема обробки сигналу.

Зарядні/п'єзоелектричніакселерометри

П'єзоелектричні акселерометри використовують пружинно-масову систему для генерації сили, еквівалентної амплітуди та частоти вібрації. Ця сила прикладається до п'єзоелектричного елементу, що створює на своїх виходах заряд, пропорційний вібраційному переміщенню. Унікальна конструкція п'єзоелектричних акселерометрів компанії Bruel&Kj?r забезпечує одночасно високий сейсмічний резонанс і міцність, тому акселерометри цього типу є універсальними акселерометрами загального призначення. Їхні виняткові високочастотні характеристики також ідеально підходять для вимірювання високочастотних вібрацій: наприклад, при аналізі шуму редуктора або моніторингу турбіни високошвидкісного ротаційного обладнання. П'єзоелектричні матеріали є самогенеруючими і тому не вимагають зовнішнього джерела енергії.

Вони здатні працювати при екстремальних температурах, але їх відрізняє низька вихідна чутливість (що притаманно конструкції пружинно-масового датчика). Оскільки більшість високочастотних акселерометрів є недемпфованими, високочастотні гармоніки конструкції можуть викликати «дзвін» акселерометра та призвести до перевантаження у наступних електронних схемах. Тому резонансна частота акселерометра повинна бути досить високою, щоб бути вище високочастотних сигналів, присутніх у конструкції

IEPE-акселерометри

IEPE-акселерометри - це п'єзоелектричні акселерометри з інтегральними підсилювачами, які видають у лінії живлення вихідний сигнал у вигляді модуляції напруги. IEPE-акселерометри компанії Bruel&Kj?r спеціально призначені для вимірювання вібрацій у малих структурах (наприклад, малогабаритних). Їхня висока вихідна чутливість, високе відношення сигнал/шум і широка смуга пропускання дозволяють використовувати їх як пристрої загального призначення, і для вимірювання високочастотних вібрацій. Ці дешеві та легкі акселерометри є інструментами з дуже хорошими робочими характеристиками, що мають більш високу вихідну чутливість, ніж стандартні п'єзоелектричні акселерометри (без інтегральних підсилювачів). Вони герметизовані для захисту від забруднень навколишнього середовища, мають низьку сприйнятливість електромагнітного випромінювання на радіочастотах і низький вихідний повний опір завдяки зовнішньому джерелу постійного струму. Низькоімпедансний вихід дозволяє використовувати недорогі коаксіальні кабелі. IEPE-акселерометри є недемпфовані високочастотними акселерометрами. При вимірюваннях слід вживати заходів, щоб уникнути «дзвону» акселерометра та виникнення умов навантаження.

П'єзорезистивніакселерометри

Датчики деформації п'єзорезистивних акселерометрів змінюють електричний опір пропорційно доданої механічної напруги. Монолітний датчик акселерометра включає вбудовані механічні обмежувачі і має дуже високу міцність при дуже хорошому співвідношенні сигнал/шум. Акселерометри цього типу ідеально підходять для вимірювання переміщення, низькочастотної вібрації та ударного впливу і призначені для випробувань на зіткнення з перешкодою, на флаттер, на їзду важкими дорогами, а також для біодинамічних вимірювань тощо, що вимагають мінімального навантаження маси і широкої частоти . Їх можна використовувати для ударних випробувань легких систем або конструкцій, вони відповідають специфікаціям SAEJ 211 для антропоморфної макетної вимірювальної апаратури. Маючи частотну характеристику, яка сягає постійного струму, тобто. до прискорення, ці акселерометри ідеально підходять для вимірювань тривалих перехідних процесів, а також короткочасних ударних впливів. У багатьох випадках чутливість виявляється досить високою і передумови вихідного сигналу не потрібно. П'єзорезистивні акселерометри мають мінімальне демпфування, тому не створюють фазового зсуву на низьких частотах. Однак їм притаманні проблеми при вимірах на низьких частотах, і для подолання цих недоліків потрібно вживати спеціальних заходів.

Акселерометризмінноїємності

У акселерометрах змінної ємності унікальний мікродатчик змінної ємності створює ємнісний пристрій з паралельним розташуванням пластин. В результаті виходить датчик з реакцією на вхідні прискорення постійного струму, зі стабільною характеристикою демпфування, яка максимізує частотну характеристику, і достатньою міцністю, щоб протистояти дуже високим ударним і прискорювальним навантаженням.

Ці low-g акселерометри ідеально підходять для вимірювання переміщень та низькочастотних вібрацій та призначені для використання в таких областях, як моніторинг траєкторії, оцінка конструкції літака/автомобіля, випробування на флаттер, випробування підвісок та гальм автомобіля. Газове демпфування (gas damping) та вбудовані обмежувачі на вихід за межі діапазону дозволяють мікродатчикам акселерометра протистояти ударним та прискорювальним навантаженням, властивим типовим high-g-додаткам. При high-g-випробуваннях часті фізичні ушкодження датчика; тому при виборі ударного акселерометра ми рекомендуємо переоцінювати максимальний рівень ударного впливу.

Загальне правило: чим ближче акселерометр до джерела (вибухової або ударної дії), тим вище вхідний g-рівень. Також рекомендується використовувати припаяні клеми та гумові дроти через їх малу вагу, але при встановленні та роботі з цими ніжними з'єднаннями слід звертатися дуже акуратно.

Поверхневіінтегральніакселерометри

Компанія Analog Devices виготовляє сімейство акселерометрів ADXLххх поверхневої конструкції. Першим у цьому сімействі йде ADXL50, серійний випуск якого було розпочато у 1991 році.

Весь кристал акселерометра розміром 3,05 3,05 мм зайнятий головним чином схемами формування сигналу, які оточують мініатюрний датчик прискорення розміром 11 мм, розташований в його центрі. Датчик є диференціальною конденсаторною структурою з повітряним діелектриком, обкладки якого вирізані (витравлені) з плоского шматка полікремнієвої плівки товщиною 2 мкм. Нерухливі обкладки цього конденсатора є простими консольними стрижнями, розташованими на висоті 1 мкм від поверхні кристала в повітрі на полікремнієвих стовпчиках-анкерах, приварених до кристала на молекулярному рівні.

На рис. 3 показаний основний конструктивний блок елементарного осередку датчика. Фактично датчик має 54 елементарні комірки для вимірювання прискорення, але для простоти малюнок показує лише одну комірку. Інерційна маса датчика прискорення при зміні швидкості переміщення кристала зміщується щодо решти кристала. Її пальцеподібні виступи утворюють рухливе обкладання конденсатора змінної ємності. З кожного кінця ця структура спирається на стовпчики-анкери, аналогічні конструкції власникам нерухомих обкладок. Розтяжки по кінцях інерційної маси, що утримують її на вазі, є ніби механічними пружинами постійної пружності, що обмежують переміщення пробної маси та її повернення у вихідне положення. Іншими словами, сила інерції при впливі прискорення

врівноважується силою пружності пружини

де m – маса, a – прискорення, k – жорсткість пружини, x – переміщення маси щодо вихідного стану. Звідси випливає, що a = x (k/m), причому k/m - конструктивний параметр датчика.

Оскільки переміщення інерційної маси має відбуватися в площині полікремнієвої плівки, вісь чутливості датчика лежить у цій площині, і, отже, вона паралельна площині друкованої плати, до якої припаюється датчик.

Рис. 6. Використання акселерометра для вимірювання нахилу

Кожен із наборів нерухомих обкладок конденсатора (Y та Z) електрично з'єднаний паралельно всередині схемного кристала. В результаті виходить пара незалежних конденсаторів X-Y і X-Z, рухлива обкладка яких утворена всією сукупністю пальцеподібних виступів інерційної маси. Усередині кристала ці три обкладки підключені до вбудованих схем формування сигналу акселерометра. У спокійному стані (рух із постійною швидкістю) усі «пальці» рухомої обкладки Х завдяки розтяжкам знаходяться на однаковій відстані від пар пальців нерухомих обкладок. При будь-якому прискоренні рухомі пальці наближаються до одного з наборів нерухомих пальців та віддаляються від іншого набору. Внаслідок цього відносного переміщення відповідні відстані стають неоднаковими, і ємності між рухомою обкладкою та кожною з нерухомих обкладок змінюються.

Хоча в ІМС акселерометра ADXL50 датчик і схема формування сигналу фактично являють собою замкнутий контур зі зворотним зв'язком і врівноваження сил, опишемо спочатку роботу пристрою при розімкнутому зворотному зв'язку. Протифазні сигнали прямокутної форми частотою 1 МГц однакової амплітуди подаються від генератора відповідно на верхню та нижню обкладки Y та Z (рис. 4).

Ємності CS1 і CS2 між нерухомими та рухомими обкладками за відсутності прискорення однакові, тому на рухому обкладку передаються сигнали однакової амплітуди. Різнистий сигнал, що надходить на вхід повторювача, дорівнює нулю.

При прискоренні датчика різницевий сигнал не дорівнює нулю, причому його амплітуда залежить від величини зсуву рухомого обкладення, а фаза визначається знаком прискорення.

Фазочутливий демодулятор перетворює цей сигнал низькочастотний (смугою від 0 до 1000 Гц), що характеризує величину і знак прискорення. Ця напруга надходить на підсилювач, з виходу якого сигнал йде зовнішній висновок ІМС.

Рис. 7. Блок-схема двовісного акселерометра ADXL202

Щоб зменшити вплив температури навколишнього середовища, тимчасові зміни параметрів, знизити нелінійність перехідної характеристики акселерометра, розробники запровадили негативний зворотний зв'язок щодо інерційної маси. Для цього напруга з виходу підсилювача через резистор 3 МОМ подається на рухомі обкладки датчика. Ця напруга створює електростатичні сили між рухомою та нерухомою обкладками, які прагнуть встановити інерційну масу у вихідний стан. Оскільки ми маємо в цьому випадку систему з високою добротністю, інерційна маса ніколи не буде відхилятися від свого вихідного положення більш ніж на 0,01 мкм.

Без прискорення вихідна напруга підсилювача дорівнює VO = 1,8 В, при повному прискоренні ±50 g VO = 1,8±1,5 В.

У пізніших моделях ІМС акселерометрів інженери компанії Analog Devices відмовилися від зворотного зв'язку за становищем інерційної маси. З одного боку, це дозволило майже вдвічі зменшити площу кристала датчика, підвищити його економічність, збільшити розмах вихідної напруги, практично виключити зовнішні компоненти, знизити вартість, але з іншого боку, збільшилося зміщення інерційної маси, що призвело до деякого реального погіршення лінійності.

Акселерометри сімейства ADXL також мають систему самотестування. ADXL50 тестовий сигнал у вигляді послідовності прямокутних імпульсів низької частоти подається на рухливу обкладку. Це викликає коливання інерційної маси, аналогічні тим, що викликаються впливом інерційних сил. Вихідна напруга справного датчика також змінюватиметься з тією самою частотою.

Рис. 8. Спрощена конструкція датчика прискорення мікросхеми сімейства XMMA

У моделях без зворотного зв'язку за положенням лише 42 осередки датчика використовуються у схемі вимірювання прискорення. Інші 12 входять у схему самотестування. Самотестування здійснюється подачею високого логічного рівня висновок «SELF-TEST» мікросхеми. При цьому на рухому частину датчика діє електростатична сила, що відповідає приблизно 20% прискорення повної шкали.

Вихідна напруга ІМС справного датчика зменшиться пропорційно. Таким чином перевіряється працездатність повної механічної структури та електричної схеми акселерометра.

Для того щоб знизити вимоги до стабільності джерела живлення і уможливити живлення акселерометрів прямо від батарей, їх вихідна напруга роблять пропорційним добутку прискорення на напругу живлення. У такому разі його слід включати за логометричною схемою, як це показано на рис. 5. У цій схемі зручно застосувати АЦП, який використовує напругу живлення в якості опорного. Слід зазначити, що між виходом акселерометра і входом ПВЗ АЦП повинен бути буферний підсилювач, так як вихідний струм акселерометра змінюється в діапазоні ±100 мкА, і при досить високій частоті вибірок конденсатор ПВР не встигатиме заряджатися до напруги на виході акселерометра.

В даний час Analog Devices випускає кілька моделей інтегральних акселерометрів: одновісні ADXL105, ADXL150, ADXL190 на максимальне прискорення ±5 g, ±50 g, ±100 g відповідно, і двовісні ADXL202, ADXL210 і ADXL250 на максимальне ±10 g та ±50 g відповідно. Датчики виготовляються в основному в плоских керамічних корпусах QC-14 з планарними висновками, причому осі, за якими вимірюється прискорення, спрямовані паралельно площині висновків (тобто паралельно площині друкованої плати). Варіант ADXL202Е випускається у мініатюрному безвивідному кристалоносії LCC-8 розміром 5ґ5ґ2 мм. Для зручності сполучення з мікроконтролерами вихідні сигнали ІМС ADXL202 і ADXL210 є прямокутними імпульсами постійної частоти. Інформація про прискорення відображається відносною тривалістю імпульсів g.

Цікаве застосування акселерометрів з малим значенням максимального прискорення (і, відповідно, високою чутливістю) - визначення кута нахилу щодо горизонту.

Це можна використовувати в охоронних системах автомобілів, для визначення місця розташування бура при бурінні похилих свердловин та ін.

Рис. 9. Графік залежності різниці ємностей конденсаторів із осередку датчика прискорення від переміщення рухомої пластини

Вихідна напруга акселерометра пропорційна синусу кута нахилу осі його чутливості щодо горизонту. Щоб визначити цей кут однозначно, необхідно використовувати двовісний акселерометр. З цією метою майже ідеально підходить ADXL202. Залежність вихідних сигналів цього датчика, наведених до 1 g, від кута його нахилу представлені на рис. 6.

Рис. 7 а показує спрощену блок-схему двовісного акселерометра ADXL202. Його вихідними сигналами є імпульси, відносна тривалість яких пропорційна прискоренню. Такий тип виходу забезпечує підвищену стійкість до перешкод, передачу сигналу по одній лінії і прийом його будь-яким мікроконтролером, що має таймер (АЦП не потрібен!). Сигнал на виході кожного каналу датчика має форму, зображену на рис. 7 б, причому прискорення в одиницях g розраховується за формулою:

Зауважте, що відносна тривалість = 0,5 відповідає нульовому прискоренню. Період імпульсів Т2 не потрібно вимірювати кожному імпульсі. Його потрібно уточнювати лише за зміни температури.

Так як частота вихідних імпульсів однакова для обох каналів, період Т2 досить виміряти тільки одному каналі. Ця величина встановлюється в межах від 0,5 до 10 м з зовнішнім резистором RSET. Недоліком акселерометрів з ШІМ-виходом є необхідність застосування швидкодіючих мікроконтролерів для отримання високої роздільної здатності при широкій смузі пропускання.

Завершуючи опис акселерометрів компанії Analog Devices, наведемо кілька цікавих цифр, що характеризують конструкцію та рівень технології виробництва цих мікросхем.

· Маса інерційного вантажу - 0,1 мкг.

· Ємність кожної частини диференціального конденсатора - 0,1 пФ.

· Мінімальне виявлене відхилення ємності - 20 aФ (10-18 Ф).

· Зміна ємності, що відповідає прискоренню повної шкали - 0,01 пФ.

· Відстань між обкладками конденсатора - 1,3 мкм.

· Мінімальне відхилення рухомих обкладок конденсатора - 0,2 ангстрема (п'ята частина діаметра атома!).

Акселерометри сімейства XMMA компанії Motorola складаються з планарного ємнісного осередку датчика прискорення та КМОП-схеми нормалізації сигналу, виконаних на відміну від ранніх моделей на одному кристалі. Чутливий елемент (G-осередок) займає більшу частину кристала. Він сформований з полікристалічного кремнію за допомогою поверхневої мікрообробки та складається з двох нерухомих пластин, між якими розташована пластина, закріплена на пружному підвісі та здатна переміщатися під дією інерційних сил (рис. 8). Коли центральна пластина відхиляється від середнього положення в результаті прискорення, відстань від неї до однієї з нерухомих пластин збільшиться на ту саму величину, на яку відстань до іншої пластини зменшиться. Зміна відстаней характеризує прискорення.

Вісь чутливості до прискорення спрямована перпендикулярно поверхні платівки кремнію (чіпа), тому датчики, що виготовляються в DIP-корпусі, вимірюють прискорення, спрямоване нормально до друкованої плати. Для того щоб уможливити вимірювання прискорень, спрямованих паралельно друкованій платі, фірма випускає ці датчики також і в корпусах SIP, в яких чіп розташований перпендикулярно друкованій платі.

Рис. 10. Блок-схема акселерометра MMAS500G

Пластини G-комірки формують два противключені конденсатори. При русі датчика з прискоренням, спрямованим перпендикулярно до площини пластин, рухлива пластина відхилиться в напрямку, протилежному прискоренню, і відбудеться перерозподіл відстаней між пластинами. Ємності обох конденсаторів зміняться відповідно до формули

де S - площа пластин, e - діелектрична постійна та x - відстань між пластинами. Як видно, ця залежність є нелінійною. На рис. 9 наведено графік залежності різниці ємностей цих конденсаторів (С1-С2) від переміщення рухомої пластини. Схеми визначення неузгодженості ємностей конденсаторів G-осередки вимірюють зміну напруги на рухомій пластині (MMAS40G, MMAS250G, MMAS500G) або заряду на ній (XMMA1000, XMMA2000).

Напруга вимірюється електрометричним підсилювачем, а заряд - підсилювачем заряду. Судячи з технічних описів цих мікросхем, представлених фірмою-виробником, постійне прискорення де вони сприймають. На рис. 10 наведена блок-схема акселерометра XMMAS500G, що має діапазон вимірюваних прискорень 500 g. Сигнал з виходу електрометричного підсилювача надходить на фільтр нижніх частот 4-го порядку, і з нього - схему температурної компенсації.

Акселерометри компанії Motorola також можна використовувати в логометрическом включенні.

Точністьінтегральних акселерометрів. Статична точність

Точність перетворення прискорення електричний сигнал акселерометрами як і, як і точність датчиків іншого типу, визначається величинами зміщення нуля, похибкою повної шкали (чи чутливості), і навіть температурним і тимчасовим дрейфом цих параметрів. Важливими складовими похибки є похибки лінійності (нелінійність) і поперечна чутливість.

Зміщення нуля та чутливість акселерометрів за нормальних умов коригуються при виготовленні. Залишкова похибка може бути зменшена шляхом калібрування та запам'ятовування калібрувальних констант у пам'яті мікроконтролера. Калібрування акселерометра можливе двома способами: на вібростенді із зразковим датчиком прискорення та з використанням сили тяжіння.

Рис. 11. Графіки прискорення та швидкості інтегрального акселерометра в умовах сильних поздовжніх вібрацій

Використання вібростенду має такі переваги:

· Можливість калібрування, у тому числі і датчиків, сприйнятливих лише до змінного прискорення;

· Можливість калібрування датчиків з прискореннями, що багаторазово перевищують g;

та недоліки:

· Потрібен дорогий вібростенд;

· Проблема закріплення датчика при калібруванні на високих g.

Переваги застосування сили тяжіння для калібрування:

· Не потрібне дороге обладнання;

· метод мало чутливий до похибки установки датчика;

· Можна застосувати лише для датчиків, сприйнятливих до постійного прискорення;

· Не можна калібрувати повну шкалу датчиків, здатних перетворювати великі прискорення.

Температурний дрейф зміщення нуля та чутливості також може бути компенсований.

Для цієї мети деякі моделі (наприклад, XMMA1000, ADXL105) мають вбудовані датчики температури. Однією з причин нелінійності характеристики перетворення інтегральних акселерометрів із датчиками ємнісного типу є нелінійна залежність ємності конденсатора від відстані між обкладками (див. рис. 9).

При використанні підсилювача заряду, як це зроблено в XMMA1000, потенціал рухомої пластини постійний і дорівнює половині напруги живлення, яке вважатимемо рівним 2V (див. рис. 8). В цьому випадку з формули q = CV з урахуванням (1) випливає, що збільшення заряду рухомої обкладки при її переміщенні на відстань x складе

Як видно, залежність збільшення заряду від зміни відстані між пластинами не лінійна. Якщо в акселерометрі застосовується підсилювач напруги (електрометричний), то заряд конденсаторів датчика не змінюватиметься.

Тоді збільшення напруги на рухомій пластині лінійно залежатиме від зміни відстані між пластинами:

З вказаних причин акселерометр XMMA1000 (підсилювач заряду) має типову похибку лінійності 1% від повної шкали проти 0,5% у MMAS40G (підсилювач напруги). Акселерометри сімейства ADXL мають ємнісний датчик диференціального типу, нерухомі пластини якого живляться рівними, але протифазною напругою збудження V1 і V2 з частотою 1 МГц. Тому комплексне чинне значення напруги на середній пластині, згідно з методом двох вузлів, визначається формулою:

де - кругова частота збудження. З огляду на те, що V1 = -V2

Таким чином, залежність напруги на рухомих пластинах датчика від переміщення виходить лінійною. Акселерометри сімейства ADXL мають типову похибку лінійності 0,2%.

В якості ще одного джерела похибки вказується гістерезис (тобто неповна відновлюваність) при вібраціях та ударах. У фірмовому описі мікросхем жодних відомостей про гістерезу немає, але експерименти з використання інтегральних акселерометрів сімейства ADXL для визначення швидкостей і переміщень, проведені авторами цієї статті, показали, що за наявності вібрацій великої амплітуди похибка, обумовлена, ймовірно, гістерезисом, може досягати цілком неприпустимих значень. На нашу думку, цей гістерезис викликаний тим, що при значних прискореннях деформація розтяжок, що грають роль пружин, може бути непружною і при зменшенні прискорення інерційна маса або дуже повільно повертається у вихідний стан (в'язка не пружність), або не повертається зовсім. На рис. 11 наведено графіки прискорення (а) і швидкості (б) від часу акселерометра ADXL150, закріпленого на одному з кінців сталевого стрижня довжиною 1,5 м, який переміщається з великими прискореннями на відстань 0,5 м. Внаслідок пружності стрижня це переміщення супроводжується вібрацією Великий амплітуди з частотою приблизно 300 Гц. Графік прискорення отримано безпосереднім зчитуванням акселерометра сигналу 12-розрядним АЦП з частотою вибірки 80 кГц. Графік швидкості є наслідком чисельного інтегрування цих даних методом трапецій. На початку та в кінці інтервалу спостереження (0-0,9 с) швидкість датчика дорівнює нулю.

На графіку швидкості (рис. 11 б), точки якого розраховані за даними акселерометра, похибка кінцевого значення швидкості склала приблизно 1,25 м/с при максимальній швидкості 3,5 м/с

Рис. 12. Графіки прискорення та швидкості інтегрального акселерометра при зниженій вібрації

На рис. 12 наведені графіки прискорення (а) і швидкості (б) того ж датчика при близьких параметрах руху, але закріпленого більш жорсткої конструкції. Рух супроводжувався значно меншою поздовжньою вібрацією. Як видно, похибка визначення швидкості зменшилася у багато разів.

Поперечна чутливість

Поперечна чутливість характеризує здатність датчика перетворювати на електричний сигнал прискорення, спрямоване під кутом 90° до осі чутливості датчика (поперечне). У ідеального акселерометра поперечна чутливість дорівнює нулю. У паспортних даних датчика вказується частина (у відсотках) поперечного прискорення, що проходить вихід.

Шум акселерометрів

Рівень шуму безпосередньо пов'язаний із шириною смуги пропускання датчика. Зменшення смуги пропускання шляхом увімкнення ФНЧ на виході датчика призводить до зниження рівня шуму. Це покращує відношення сигнал/шум і збільшує роздільну здатність, проте вносить амплітудні та фазові частотні спотворення. Деякі моделі акселерометрів містять на кристалі ФНЧ (сімейство XMMA - 4-го порядку, ADXL190 - 2-го). Двоосні датчики ADXL202/210 мають висновки для підключення двох зовнішніх конденсаторів, що утворюють з двома внутрішніми резисторами по 32 кОм два ФНЧ першого порядку.

приклад. Мікросхема ADXL150 має типове значення спектральної густини шуму 1мg/Гц у смузі 10-1000 Гц. При включенні ФНЧ із частотою зрізу 100 Гц діюче значення шуму на виході фільтра становитиме 10 мg, а амплітудне, з ймовірністю 0,997 - в межах 30 мg.

Оскільки повна шкала цього датчика становить 50 g, динамічний діапазон дорівнює 20lg(50/0,03) = 64,4 дБ. Це непогано, але за цим показником інтегральні акселерометри сильно поступаються п'єзоелектричним. Наприклад, п'єзоелектричний акселерометр типу 4371 компанії Bruel & Kjaer має динамічний діапазон 140 дБ.

Основною динамічною характеристикою акселерометрів є смуга пропускання за рівнем -3 дБ. У табл. 2 наведено основні характеристики деяких типів інтегральних датчиків прискорення.

Звиключення

У цей час акселерометри активно використовуються в переносних пристроях типу мобільних телефонів, планшетів і ноутбуків, для того, щоб відстежувати їх положення в просторі і надавати додаткові функції, пов'язані з цим. Простіші датчики використовуються у механічних приводах жорстких дисків (чого в майбутньому не буде). Назвати найкращий акселерометр складно, тому що області застосування постійно розширюються і вимоги до чутливості, вихідних даних та розмірів абсолютно різні. Розробляються технології для застосування у більших масштабах, ніж раніше, акселерометрів в архітектурні споруди, що допоможе уникнути деякого ряду аварій.

Список використаної літератури

1. Гудінаф Ф. Інтегральний акселерометр на 50 G з самоконтролем, реалізованим на збуднику, що нагрівається // Електроніка. 1993. № 7-8. З. 54-57.

2. Гудінаф Ф. Ємнісний датчик прискорення, виконаний на основі поєднання об'ємної та поверхневої мікроструктур // Електроніка. 1993. № 11-12. З. 86-87.

3. Гудінаф Ф. Інтегральний датчик прискорення для автомобільних надувних подушок безпеки // Електроніка. 1991. № 16. С. 7-14.

4.Doscher J. Accelerometer Design and Applications. Analog Devices. 1998.

5.Серрідж М., Ліхт Т. Р. Довідник з п'єзоелектричних акселерометрів та підсилювачів. «Брюль та К'єр». 1987.

Розміщено на Allbest.ru

Подібні документи

П'єзоелектричні акселерометри: загальна характеристика, принцип роботи та галузі застосування. Основні варіанти конструкції п'єзоелектричних акселерометрів. Дешифратори, операційні підсилювачі та аналого-цифрові перетворювачі, їх призначення.

курсова робота , доданий 16.05.2014

Етапи розробки конструкції та технології виготовлення осередку датчика прискорення ємнісного типу. Призначення акселерометра, вибір друкованої плати, способи паяння, особливості збирання та монтажу. Функціонально-вартісний аналіз осередку датчика прискорення.

дипломна робота , доданий 07.12.2011

Розробка конструкції та технології виготовлення напівпровідникової мікросхеми виконаної в інтегральному виконанні. Обґрунтування вибору технології виготовлення мікросхеми, на підставі якого розроблено технологічний процес, топологія кристала.

курсова робота , доданий 13.07.2008

курсова робота , доданий 12.06.2010

Використання параметричних ферорезонансних стабілізаторів напруги. Конструктивно-технологічне виконання інтегральної мікросхеми. Розрахунок інтегрального транзистора та його характеристики. Розробка технічних вимог та топології мікросхеми.

курсова робота , доданий 15.07.2012

курсова робота , доданий 30.01.2014

Обґрунтування вибору датчика. Вибір мікросхеми AD594, мікроконтролера. Блок-схема програмування МК АТmega8. Підключення мікросхеми до термопар. Підключення одиночного та подвійного живлення. Схема з'єднання, що забезпечує рівність температур.

курсова робота , доданий 23.12.2015

Прилади, що служать для вимірювання прискорень – акселерометри. Вибір п'єзоелектричного матеріалу. Форма інерційної маси, її впливом геть характеристики датчика. Опис конструкції акселерометра. Вибір електричної схеми. Вихідна напруга підсилювача.

курсова робота , доданий 15.05.2014

Основні активні елементи, що застосовуються у пристроях, що працюють у діапазоні радіохвиль. Важливі властивості інтегральних мікросхем. Напівпровідникові та гібридні інтегральні мікросхеми. Джерела та приймачі оптичного випромінювання, модулятори.

реферат, доданий 14.02.2016

Розробка та реалізація пристрою селекції бінарної підпослідовності символів із нескінченної бінарної послідовності. Вибір мікросхеми регістру зсуву. Методи налагодження моделі УСПБ, генератор слів. Вибір мікросхеми реалізації блоку індикації.

Прилади, призначені для вимірювання лінійних прискорень літальних апаратів і кутових прискорень елементів їх агрегатів, що обертаються, називаються акселерометрами.

Сигнали акселерометрів використовуються в інерційних навігаційних системах для обчислення швидкостей та координат, в системах управління польотом та двигунами, а також в покажчиках візуальних приладів. Візуальні прилади індикації прискорень потрібні льотчику на маневрених літаках контролю перевантажень, що виникають під час управління літака.

Акселерометри класифікуються за різними ознаками, зокрема, по областях застосування, виду підвісів чутливого елемента, способу зняття сигналів, кількості вимірюваних компонентів прискорення, виду вихідного сигналу та ін.

Вимоги до акселерометрів щодо точності вимірювання визначаються сферою застосування. Так, похибки акселерометрів в інерційних системах не повинні перевищувати 0,001%. Акселерометри, які у системах управління, мають похибки 0,001-1,0%. Похибки акселерометрів, що застосовуються як візуальні прилади, становлять 1-3%.

Принцип дії акселерометра ось у чому.

Схема акселерометра.

1 – інерційна маса; 2 – пружина; 3 – демпфер; 4 – шкала; 5 – корпус приладу; 6 – вісь чутливості акселерометра

Інерційна маса 1, пов'язана з корпусом приладу 5 за допомогою пружини 2 та демпфера 3 , може переміщуватися в напрямку осі 6 званою віссю чутливості. Переміщення маси по відношенню до корпусу приладу, що відраховується за шкалою 4 , пропорційно вимірюваному прискоренню, спрямованому по осі чутливості.

Чутливим елементом акселерометра є інерційна маса.

на інерційну масу
акселерометра діють такі сили:

- Сила інерції

де - Переміщення маси по відношенню до корпусу приладу;

-переміщення корпусу приладу щодо фіксованої точки простору.

- Сила, пропорційна швидкості руху маси і створювана демпфером:

де
- Коефіцієнт демпфування.

- Позиційна сила, створювана пружністю пружини:

де - Коефіцієнт пружності.

Сума цих сил дорівнює нулю, тобто.

де
- Власна частота;

;

-Коефіцієнт відносного згасання.

Основними елементами акселерометрів є підвіси інерційних мас, датчики сигналів переміщення маси, моментні (силові) пристрої, що забезпечують введення сигналів зворотного зв'язку, підсилювачі сигналів та пристрої, що коригують (демпфери).

Для того щоб акселерометр реагував тільки на ту складову прискорення, для вимірювання якої він призначений, його інерційна маса повинна мати спеціальний підвіс, що відповідає наступним вимогам: 1) мінімальне тертя в осях підвісу; 2) відсутність перехресних зв'язків між вимірювальними осями; 3) забезпечення лінійної залежності між відхиленнями інерційної маси та вимірюваним прискоренням.

Підвіси на простих опорах створюють значне тертя, яке знижує чутливість акселерометра. Для зменшення тертя чутливий елемент зміцнюють на важелі або поміщають у рідину з питомою вагою, що дорівнює питомій вазі чутливого елемента (рис. 2-4). Підвіси на пружинах і гофрованих пружних мембранах вільні від тертя, проте недоліком їх є те, що при відхиленні маси прилад починає реагувати на прискорення складові, перпендикулярні до осі чутливості. Тому такі підвіси застосовують у акселерометрах із силовою компенсацією, коли відхилення маси практично відсутні.

Рис. 2. Схема однокомпонентного акселерометра:

1 – інерційна маса; 2 – корпус; 3 – рідина; 4 – напрямний стрижень; 5 – підсилювач; 6 – індуктивний датчик переміщення;

7 – електромагнітний привід

На схемі рис. 2 інерційна маса 1 підвішена на направляючій 4. Для зменшення тертя про напрямну маса 1, поміщена в рідину 3, має нейтральну плавучість, що виключає сильне притискання до напрямної. Сигнали в схемі, пропорційні переміщенню інерціальної маси, вимірюються індуктивним датчиком 6. Після посилення в підсилювачі 5 сигнал надходить на електромагнітний (силовий) привід 7. Вихідним сигналом акселерометра є падіння напруги на опорі , послідовно включеному в ланцюг обмотки силового приводу. Демпфування в приладі виходить за рахунок опору під час руху інерційної маси в рідині. В акселерометрах типу можна отримати високу власну частоту і малу зону нечутливості (досягається зменшенням сил тертя за рахунок зважування інерціальної маси в рідині). Для збереження сталості характеристик акселерометра необхідно підтримувати температуру постійної рідини, що досягається термостатуванням.

Рис. 3. Схема маятникового акселерометра поплавця:

1 – інерційна маса; 2 – рідина; 3 – корпус; 4 – моментний двигун;

5 – підсилювач; 6 – датчик сигналу

На рис. 3 наведена схема маятникового акселерометра поплавця. Поплавець (інерційна маса) конструюється так, щоб його вага Q був близький до підйомної сили F. Необхідна маятниковість поплавка забезпечується зсувом центру тяжкості щодо центру водотоннажності на величину L Сигнал повороту поплавця вимірюється індуктивним датчиком 6, і після посилення в підсилювачі 5 4. Мале тертя в опорах, що є підвісами, забезпечується малим тиском, оскільки вага поплавця Q практично врівноважується підйомною силою F. Демпфування досягається тим, що маса рухається в рідині. Для збереження сталості параметрів приладу необхідно регулювати температуру рідини. У поплавкових акселерометрах застосовують кремнієві рідини.

Прискорення, що вимірюються акселерометрами, що застосовуються в інерційних системах, служать для отримання швидкості польоту та пройденої відстані. Для отримання швидкості прискорення інтегрується один раз, а для отримання шляху двічі. Є певний клас акселерометрів, у яких вихідний сигнал пропорційний не прискоренню, а одно- чи дворазовому інтегралу від прискорення.

Рис.4 Схема інтегруючого акселерометра

1-інерційний поплавець; 2-привідний двигун; 3-гідравлічні перепускні канали; 4-ємнісний датчик; 5-циліндр, заповнений силіконовою рідиною; 6-реле системи обігріву; 7-термостат; 8-нагрівальний елемент; 9-зовнішній циліндр; 10-рідина

Схема інтегруючого поплавкового акселерометра типу представлена на рис. 4. Поплавець 1 у формі циліндра міститься в циліндричній камері, заповненій рідиною 10, причому щільність матеріалу поплавця менше щільності рідини. Камера обертається двигуном 2 з постійною швидкістю. Під дією відцентрових сил, що виникають при обертанні рідини, поплавець встановлюється по осі симетрії, вздовж якої може переміщатися. Інтегруючі акселерометри з конструкцією, наведеною на рис. 4 має чутливість близько 10 -5 g і похибка трохи більше 0,01%.

Перспективними є електромагнітні та кріогенні підвіси.

Для перетворення переміщень електричні сигнали в акселерометрах застосовуються потенціометричні, індуктивні, ємнісні, фотоелектричні і струнні перетворювачі. Основні вимоги до перетворювачів такі: 1) велика роздільна здатність; 2) лінійна залежність виходу від входу; 3) відсутність реакції перетворювача на чутливий елемент. Цим вимогам не задовольняють потенціометричні датчики, у точних приладах вони застосовуються.

Як моментні (силові) пристроїв в акселерометрах для введення сигналів зворотних зв'язків застосовуються моментні двигуни (електродвигуни, що працюють у загальмованому режимі) та електромагнітні пристрої.

Для отримання акселерометрів з необхідними частотними характеристиками в ланцюгах зворотного зв'язку застосовують фільтри, що коректують, і спеціальні демпфери. У приладах із рідинним підвісом для демпфування використовується в'язкість самої рідини.

Похибки акселерометрів

Акселерометрам притаманні методичні та інструментальні похибки.

Методичні похибки акселерометрів можна розділити на дві групи: 1) похибки, що виникають через те, що акселерометри вимірюють лише прискорення від активних сил, тоді як на прискорення, спричинені гравітаційними силами, ці прилади не реагують; 2) похибки, що виникають через розбіжність осі чутливості з напрямком дії вимірюваного прискорення.

Так, наприклад, при розбіжності осі чутливості та напрями прискорення в 1° похибка у вимірі величини прискорення становить 0,02%. Ця похибка сама по собі мала і не має великого інтересу. Більше значення має кут між зазначеними напрямками, оскільки він визначає розбіжність приладової та істинної осей системи координат. Крім того, в інерційних системах навігації розбіжність осей чутливості з напрямом прискорень, що вимірюваються, призводить до появи перехресних зв'язків між акселерометрами, в результаті чого акселерометр вимірює не тільки «своє», але і «чужі» прискорення.

Інструментальні похибки акселерометрів визначаються: 1) порогом чутливості (обумовленим тертям у підвісах) – мінімальним сигналом на вході, при якому з'являється сигнал на виході; 2) порушенням лінійної залежності між вхідним та вихідним сигналами; 3) гістерезисом у характеристиках пружних та інших елементах; 4) температурною залежністю параметрів та характеристик акселерометра.

Для зменшення інструментальних похибок застосовуються заходи щодо зменшення тертя у підвісах, термостатування елементів і поліпшення характеристик чутливості акселерометра. У найкращих конструкціях акселерометрів для інерційних систем інструментальні похибки доведені до 0,002%.

Блок датчика лінійних прискорень БДЛУ – 0,5призначений для вимірювання лінійних прискорень щодо нормальної системи координат та видачі електричного сигналу пропорційного лінійним прискоренням до бортового пілотажного комплексу (БПК) та інших бортових систем.

Конструктивно акселерометр типу БДЛУ складається з основних вузлів:

– датчик лінійних прискорень типу ДЛУВ-42 є одноосьовим акселерометром і призначений для вимірювання лінійного прискорення, що діє вздовж осі чутливості та видачі електричного сигналу, величина напруги якого пропорційна лінійному прискоренню, що діє вимірювальної осі, а знак відповідає напрямку дії лінійного у.

- Блоки живлення типу МУБП-1-1;

- Підсилювача зворотного зв'язку типу БУ-44-2-11.

Зовнішній вигляд БДЛУ представлений на мал.

Рис.5 Зовнішній вигляд БДЛУ

Схема одноосьового акселерометра показана на рис.6. (типу ДЛУВ-42)

Рис. 6. Схема одновісного акселерометра із силовим зворотним зв'язком:

1 – обмотка датчика; 2 – обмотка збудження; 3 – вісь чутливості акселерометра; 4 – постійний магніт; 5 – відновлююча обмотка; 6 – підсилювач змінного струму; 7 – демодулятор; 8 - фазозсувний ланцюжок; 9 – підсилювач постійного струму; 10 - генератор ланцюга збудження; 11 - вихідний опір; 12 - сигнал прискорення, що вимірювається.

Акселерометр являє собою пристрій з силовим зворотним зв'язком, в якому сила інерції, що діє на чутливий елемент, врівноважується (пропорційно до прискорення) електромагнітною силою, що створюється струмом у котушці, поміщеній у магнітне поле.

Чутливим елементом акселерометра ДЛУВ є маятник 4, який є постійним магнітом.

При дії лінійних прискорень, спрямованих вздовж чутливої осі датчика, виникає момент інерції, що відхиляє чутливий елемент (маятник) від нульового положення рівноваги в напрямку, зворотному дії цієї сили.

Момент інерції маятника дорівнює:

де
- Маса маятника; – плече небалансу маятника; - Лінійне прискорення, що діє.

Будь-яке його відхилення щодо нульового становища у своїй створює у зміцненої у ньому котушці датчика 1 е.д.с., пропорційна величині діючої сили, отже, і прискоренню. Сигнал з датчика надходить на вхід амплітудного фазочутливого детектора-підсилювача БУ-44-2-11 (7, 8, 10), де перетворюється на напругу постійного струму певної полярності і через підсилювач постійного струму УПТ - 9 подається на обмотки котушки, що відновлює5, розташована на пружній підвісці чутливого елемента.

Магнітне поле котушки, що відновлює, 5 взаємодіє з полем постійного магніту 4, який є маятниковим чутливим елементом датчика, при цьому виникає електромагнітна сила, що врівноважує момент інерції маятника і прагне повернути його в нульове положення.

Електромагнітний крутний момент, що створюється струмом, що протікає по обмотках котушки, що відновлює, дорівнює

де
- передавальний коефіцієнт ланцюга силового зворотного зв'язку;

- Струм, що протікає по котушці.

Введення в акселерометр силового зворотного зв'язку еквівалентно додаткової жорсткості, яка набагато більша за величиною, ніж жорсткість пружного елемента.

Якщо коефіцієнт посилення підсилювача 9 досить великий, то електромагнітна сила, що відновлює, врівноважує силу, пропорційну прискоренню і чутливий елемент прийме нульове положення рівноваги, при цьому буде мати рівність:

або
,