Методы и средства измерения ускорений

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет

им. Г. И. Носова»

 

 

 

 

 

 

 

Факультет технологий и качества

Кафедра стандартизации, сертификации и технологии продуктов питания

 

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: «Методы и средства измерения ускорения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Разработал: студент 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитогорск,2011

Содержание

Введение

1. Общие понятия……………………………………………………………………………3
2. Виды акселерометров
1. Автомобильные акселерометры………………………………………………….....8
2. Пьезоэлектрические акселерометры………………………………………………14
3. Пьезорезистивные акселерометры………………………………………………...15
4. Интегральные акселерометры
1. Пленочные пьезоэлектрические акселерометры………………………….16
2. Объемные интегральные акселерометры………………………………….17
3. Поверхностные интегральные акселерометры……………………………19
3. Как правильно выбрать акселерометр. Принцип измерений………………………..20

Заключение………………………………………………………………………………….21

   Список использованной литературы……………………………………………………...22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В практической жизни человек  всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения  таких величин, как длина, объем, вес, время и другие.

Измерения являются одним  из важнейших путей познания природы  человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая  человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

 Все отрасли техники — от строительной механики и машиностроения до ядерной энергетики — не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции.

 Особенно возросла роль измерений в наш век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космонавтики. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измерительно-управляющих центрах.

 Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерения, — это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, то есть находим ее значение.

 В настоящее время установлено следующее определение измерения: измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. В данном реферате мы рассмотрим, что является средством измерения и контроля ускорения. Какие методы применяют для измерения ускорения.

 

 

1. Общие понятия

        Акселерометр - чувствительный элемент, который измеряет ускорение; ускорение – норма изменения скорости относительно времени.

      

         Ускорение – вектор, который имеет величину и направление. Единица измерения акселерометра g – ускорение свободного падения, которое равно 9.81 . Акселерометр может фиксировать: вибрации, рывки, наклонное положение, столкновения и движение объекта.

        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).

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.

Технология	Температурный диапазон
Пьезоэлектрические общего применения	-55…260°C
Пьезоэлектрические высокотемпературные	-55…650°C
Пьезоэлектрические низкотемпературные	-184…177°C
С выходом по напряжению общего применения	-55…125°C
С выходом по напряжению высокотемпературные	-55…175°C
Пьезорезистивные	-55…66°C

           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%.