Методы и средства измерения ускорений

 

2. Виды акселерометров

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения  и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены. Сравнение основных типов акселерометров дано в табл. 1. На рис. 1 показаны области, занимаемые акселерометрами различного типа на диаграмме «цена–качество».

 
 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Диаграмма «цена–качество»  для различных типов акселерометров

 

 

 

 

 

1. Автомобильные акселерометры

В последние годы технологический  уровень микромеханических акселерометров значительно вырос: новые компоненты, размещаемые в рыночной нише прежней  или более низкой ценовой категории — стоимостью порядка $1-10 в объемах массового производства — характеризуются повышением общего уровня интеграции, улучшением характеристик и добавлением новых функций.

 Новые интегральные акселерометры, как правило, создаются на одном кристалле. Это означает размещение на одном кристалле как сенсорных элементов, причем чувствительных в направлениях трех измерительных осей, так и обрабатывающих устройств, и обеспечивает исполнение одной ИС функций датчика и электрической схемы обработки сигнала, для которой необходимо только несколько внешних дискретных компонентов.

             Существуют различные физические принципы и схемы детектирования, которые успешно применяются для создания автомобильных акселерометров, — пьезоэлектрические, пьезорезистивные, емкостные, электромагнитные, магнитные (эффекта Холла, магниторезисторы и т. п.), резонансные и конвекционные (тепловые акселерометры Memsic).

            Разработано множество альтернативных технологий акселерометров — индуктивные, магнитостриктивные, устройства на поверхностных акустических волнах, оптические, туннельные.

            Многие новые технологии также подходят для создания однокристальных микромеханических структур и интегральных микромеханических акселерометров с готовым выходом (под микромеханическими понимаются структуры, осуществляющие микроперемещения — порядка мкм и менее; в настоящее время актуальными становятся перемещения порядка А — инерционной массы внутри чувствительного элемента, выполненного на основе кремния и/или других материалов с применением методов производства интегральных схем: маскирования, фотолитографии и травления).

              На современном автомобильном рынке инерциального считывания наибольшее распространение получили емкостные MEMS-акселерометры — датчики ускорения, основанные на емкостном преобразовании микроперемещений инерционной массы. Причины их коммерческого успеха — простота сенсорного элемента, отсутствие необходимости в материалах со специальными свойствами, высокая чувствительность, малое энергопотребление, хорошая температурная стабильность, улучшенные шумовые характеристики, малый дрейф и низкая цена.

              Емкостные MEMS-акселерометры, производимые компаниями Analog Devices, Bosch, Delphi, Denso, Freescale, Kionix, Silicon Designs, STMicroelectronics, VTI Technologies, a также тепловые акселерометры Memsic занимают лидирующие позиции на современном автомобильном рынке. Среди известных MEMS-акселерометров представлены различные коммерческие продукты с аналогичной функциональной спецификацией, но с уникальным механическим дизайном считывающих элементов, выполненных на основе различных материалов, с применением различных технологий, методов интегрирования электроники и корпусирования устройств, а так же в различном ценовом диапазоне.

              Разнообразные акселерометры различаются по типу выхода— с аналоговыми или цифровыми ASIC-функциями—чувствительности, разрешению, линейности, частотной полосе, динамическому диапазону, поперечной чувствительности, температурным эффектам, шумовым характеристикам, способности выдерживать перегрузки и удары и другим показателям.

               Все эти факторы, а также цена должны приниматься в расчет при проверке интегрального компонента на соответствие назначению и условиям эксплуатации, для того чтобы комплексно оценить преимущества и недостатки инженерного дизайна данной модели автомобильной системы с акселерометром.

    а, б — физическая модель измерительной структуры (корпус преобразователя условно не показан)

1, 3 —неподвижные металлические  обкладки;

2, 4 — зафиксированные  печатные платы;

5 — подвижная обкладка;

6 — инерционная масса  (металл или диэлектрик);

7, 8 — слои диэлектрика; 

S — фиксированная площадь перекрытия обкладок; dl, d2 — переменные расстояния между обкладками;

а — акселерометр в состоянии  покоя;

б — под действием ускорения

 а; в — эквивалентная электрическая схема;

 г — размещение измерительных осей и степеней свободы (полуосей) относительно корпуса ИС в корпусе S0IC 16.

Рис. 1. Иллюстрация  измерительного принципа дифференциального  емкостного акселерометра.

           Многие преимущества и недостатки емкостных датчиков вытекают из их физической природы.

            Так, емкостные структуры просты в конструировании — в зависимости от размещения емкостного чувствительного элемента относительно ИС или печатной платы, они позволяют детектировать ускорения в направлении любой из шести степеней свободы. С развитием технологий MEMS данное преимущество дополнилось возможностью детектировать три измерительные оси посредством только одной .

 

 

а — физическая модель акселерометра  под действием ускорения а (вид в сборке);

б — вид акселерометра в разрезе;

1 — элемент крепления диафрагмы — общий электрод с «земляным» экраном;

2 — металлическая диафрагма с отверстиями для газового демпфирования;

3, 6 —зафиксированные печатные платы;

4, 7 — терминалы для  снятия зарядового сигнала с неподвижных обкладок;

5, 8 — диэлектрические  слои;

9 — верхний «земляной» экран

  

Рис.2 Дифференциальный емкостной акселерометр с гибкой металлической диафрагмой (корпус преобразователя условно не показан)

Другое значимое преимущество емкостных акселерометров — температурный  дрейф конденсаторов небольшой  емкости и, следовательно, схема  температурной компенсации минимальна. Емкостные датчики обеспечивают широкий рабочий температурный диапазон, но важно подчеркнуть, что относительно нечувствительны к температурным вариациям емкостные акселерометры с газовым демпфированием, поскольку частотная полоса емкостного акселерометра также температурно чувствительна (вязкость демпфирующей жидкости является функцией температуры).

             Емкостные MEMS-акселерометры измеряют ускорения в диапазоне от <2 д/с (вплоть до статического) до нескольких сотен д/с, на частотах, как правило, до 1 кГц.

             Поскольку частотная полоса емкостных акселерометров ограничена значениями в несколько кГц, для описания этого типа датчиков используется динамическая модель. В динамике, в условиях отсутствия демпфирования, на частотах, значительно ниже резонансной, чувствительность акселерометра не зависит от частоты возбуждения. Напротив, возбуждение системы на частотах, близких к резонансной частоте, будет образовывать очень большие амплитуды колебаний, для предотвращения которых в систему вводится демпфирование.

              Особенности схемотехники емкостных акселерометров

             Автомобильные емкостные акселерометры требуют присутствия встроенной схемы формирователя сигнала, выполняющей функции преобразования изменений емкости в сигнал, совместимый со считывающей автомобильной аппаратурой, например, в пропорциональный аналоговый сигнал напряжения или токовый выход ШИМ, что логически подводит к актуальности однокристальных интегрированных устройств на основе технологических решений MEMS.

            Типичный подход к измерению емкости заключается в измерении импеданса на переменном токе, обычно при подаче на электроды возбуждающего сигнала источника питания в виде синусоидальных или прямоугольных импульсов напряжения. Выходной сигнал емкостного элемента является высокоимпедансным (1-100 МОм), для снижения которого целесообразно подавать питание высокой частоты (выше 50 к Гц). Высокие частоты помогают снизить уровень шумов.

           Обработка сигнала емкостного чувствительного элемента обычно производится в цепи демодулятора. Дополнительные элементы схемы осуществляют усиление и фильтрацию сигнала.

          Датчики, возбуждаемые непрерывным волновым сигналом, используют синхронные демодуляторы, обеспечивающие высокую точность и минимизирующие влияние рабочих частот.

         Дифференциальные акселерометры (например, представители семейства ADXL Analog Devices, которые обеспечивают нелинейность <0,2%) используют для питания неподвижных обкладок равные, но противофазные напряжения частотой порядка 1 МГц — при нулевом положении подвижной обкладки они дадут нулевое выходное напряжение на входе демодулятора.

        Другой распространенный метод измерения емкости состоит в применении усилителя заряда, который преобразует соотношение измеряемой и опорной емкостей в сигнал напряжения. Типичные значения нелинейности, обеспечиваемые этим методом, составляют порядка 1% (например, линейка акселерометров Freescale). Альтернативный метод использует усилитель напряжения, который позволяет получить более линейную (с линейностью порядка 0,5%) зависимость напряжения на подвижной обкладке как функцию изменения расстояния.

        Эффективный способ устранения нелинейности зависимости емкости от перемещения — применение цепи обратной связи в так называемых сервоакселерометрах, позволяющих получать линейный выходной сигнал.

         Сервоакселерометры (Force Balance)

          Акселерометры, рассматриваемые до сих пор (включая пьезоэлектрические, пьезорезистивные или емкостные), классифицируются как устройства незамкнутого цикла — open-loop-акселерометры, и составляют большинство коммерчески доступных устройств. В датчиках этого типа непосредственно регистрируется малое конечное перемещение сейсмической массы, пропорциональное ускорению. Этот тип акселерометров отличается погрешностями измерений и нелинейностью.

        Среди емкостных акселерометров широко распространены устройства, работающие в режиме замкнутого цикла, — так называемые closed loop, force balanced (балансируемые силой) или servo (следящие) акселерометры, которые используют полученный сигнал изменения в емкости в качестве напряжения обратной связи, противодействия движению массы и удержания ее в центральном положении (принудительная обратная связь). В случае емкостных устройств сервотипа разности потенциалов между одним неподвижным сенсорным электродом и подвижной массой и между массой и другим электродом контролируются таким образом, что электростатическая сила стремится отменить перемещение, наводимое ускорением. Помимо того что подавляется перемещение массы, одновременно достигается улучшение в чувствительности и частотных характеристиках. Удержание массы в сбалансированном режиме фактически исключает ошибки вследствие нелинейностей и способствует уменьшению влияния температуры окружающей среды, временных изменений параметров и т. д.

            Эквивалентная линейная физическая модель, иллюстрирующая принцип работы сервоакселерометра в направлении одной степени свободы (полуоси), показана на рисунке.

 а— направление ускорения, действующего на датчик;

1— корпус устройства; 2— пружина;

3— инерционная масса  (с ферромагнитным материалом);

4— демпфер;

5— механический ограничитель перемещений при перегрузках (выходе за допустимые рабочие пределы

ускорения а);

6— постоянный магнит, прикрепленный к массе 3; 7—  датчик Холла;

8— электромагнит; 

Fsn, F, Fl, F2 — силы, действующие в модели

 

Рис. 3. Сервоакселерометр

В емкостном closed-loop-акселерометре емкостной элемент также регистрирует перемещение инерционной массы, но в сервоцепи вводится отрицательная обратная связь — напряжение, снятое с чувствительного емкостного элемента (с выхода предусилителя) и пропорциональное ускорению, возвращается на обкладки датчика, создавая электростатические силы между подвижной и неподвижной обкладками, возвращающие инерционную массу в исходное состояние.

Размеры емкостного микромеханического элемента позволяют эффективно использовать электростатические силы для осуществления сброса, с одновременным преимуществом малого потребления мощности и недостатком, состоящим в том, что электростатические силы — нелинейная функция приложенного напряжения, и при больших смещениях массы они могут вызывать ее «прилипание» к одной из неподвижных обкладок.

Выделяются три метода осуществления сброса:

1.  Аналоговый — напряжение прикладывается к обоим, подвижным и неподвижным, электродам, электростатическая сила удерживает массу в центральном положении. Приложение смещающего напряжения линеаризует отрицательную обратную связь при малых отклонениях массы.

2.  Цифровой — сигналы ускорения и обратной связи разделяются во времени: в течение первого короткого периода времени датчик определяет положение инерционной массы, предоставляя выход в цифровом формате, в течение второго периода времени обратная связь (электростатическая сила) обеспечивается посредством импульсов напряжения, приложенных к электродам. Метод осуществляется с применением сигма-дельта-модуляции, стабильность обеспечивается за счет того, что выходной сигнал является ШИМ, электростатическая сила определяется по среднему числу импульсов, и напряжение, фактически, прикладывается к одному из электродов, тогда как другой заземлен. Недостатком является сложность практических схем,