Методы и средства измерения ускорений

осуществляемых для снижения влияния шумов и поперечной чувствительности, на основе методов переключающего конденсатора с ASIC.

3. Гибридный — аналого-цифровой: аналоговый сигнал ускорения  подается на усилитель заряда, а затем в управляющую электронику,  осуществляющую выборку пика, и  логическую схему, обратная связь осуществляется приемами сигма-дельта модуляции сигнала.

Сервоакселерометры измеряют частоты до DC (0 Гц); верхний частотный диапазон зависит в конечном итоге от резонансной частоты, чувствительности, демпфирования.

Сервоакселерометры обеспечивают высокую точность, важную в автоэлектронике аля прецизионных инклинометров систем контроля параметров и навигации (например, блоков IMU с шестью степенями свободы, комбинируемых с гироскопами), но их цена может на порядок превышать стоимость устройств незамкнутого цикла. Поскольку отклонение инерционной массы уменьшается (например, в акселерометрах Analog Devices оно составляет менее 0,01 мкм), детектируемые диапазоны ускорений составляют обычно <50 д.

2. Пьезоэлектрические акселерометры

Является универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Эксплуатационная характеристика пьезоэлектрических акселерометров в общем лучше характеристики любого другого вибродатчика. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров. 

Так как пьезоэлектрические акселерометры  являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отметим, что отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.  
Основным элементом пьезоэлектрического акселерометра является диск из пьезоэлектрического материала, в качестве которого нормально используется искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика. Подвергаемый действию силы (при растяжении, сжатии или сдвиге) пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.

Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями предусмотренная в корпусе акселерометра масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. Это соответствует закону, согласно которому сила равна произведению массы и ускорения.

 

 
Рис. 4. Конструкция пьезоэлектрических акселерометров

 

          На частотах значительно меньших резонансной частоты общей системы масса — пружина ускорение массы акселерометра идентично ускорению его основания и, следовательно, отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.  
         На частотах значительно меньших резонансной частоты общей системы масса — пружина ускорение массы акселерометра идентично ускорению его основания и, следовательно, отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.  
         Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:

• Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;
• Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.

 
IEPE-акселерометры

        Пьезоэлектрические акселерометры с интегральными предусилителями, которые выдают в линии питания выходной сигнал в виде модуляции напряжения. IEPE-акселерометры специально предназначены для измерения вибраций в малых структурах (например, малогабаритных). Их высокая выходная чувствительность, высокое отношение сигнал/шум и широкая полоса пропускания позволяют использовать их и как устройства общего назначения, и для измерения высокочастотных вибраций. Эти дешевые и легкие акселерометры являются инструментами с очень хорошими рабочими характеристиками, имеющими более высокую выходную чувствительность, чем стандартные пьезоэлектрические акселерометры (без интегральных предусилителей). Они герметизированы для защиты от загрязнений окружающей среды, имеют низкую восприимчивость к электромагнитному излучению на радиочастотах и низкое выходное полное сопротивление благодаря внешнему источнику постоянного тока. Низкоимпедансный выход позволяет использовать недорогие коаксиальные кабели. IEPE-акселерометры являются недемпфированными высокочастотными акселерометрами. При измерениях следует принимать меры, чтобы избежать «звона» акселерометра и возникновения условий перегрузки.

 
     2.3 Пьезорезистивные акселерометры

           Датчики деформации пьезорезистивных акселерометров изменяют электрическое сопротивление пропорционально приложенному механическому напряжению. Монолитный датчик акселерометра включает в себя встроенные механические ограничители и обладает очень высокой прочностью при очень хорошем соотношении сигнал/шум. Акселерометры этого типа идеально подходят для измерения перемещения, низкочастотной вибрации и ударного воздействия и предназначены для испытаний на столкновение с препятствием, на флаттер, на езду по трудным дорогам, а также для биодинамических измерений и тому подобных приложений, требующих минимальной нагрузки массы и широкой частотной характеристики. Их можно также использовать для ударных испытаний легких систем или конструкций, они соответствуют спецификациям SAEJ 211 для антропоморфной макетной измерительной аппаратуры. Имея частотную характеристику, которая простирается до постоянного тока, т.е. до установившегося ускорения, эти акселерометры идеально подходят для измерений длительных переходных процессов, а также кратковременных ударных воздействий. Во многих случаях чувствительность оказывается достаточно высокой и предусиления выходного сигнала не требуется.

Пьезорезистивные акселерометры  имеют минимальное демпфирование, поэтому не создают фазового сдвига на низких частотах. Однако им присущи  проблемы при измерениях на низких частотах, и для преодоления этих недостатков требуется принимать специальные меры.  

 
Акселерометры переменной емкости

В акселерометрах переменной емкости уникальный микродатчик переменной емкости создает емкостное устройство с параллельным расположением пластин. В результате получается датчик с реакцией на входные ускорения постоянного тока, со стабильной характеристикой демпфирования, которая максимизирует частотную характеристику, и с достаточной прочностью, чтобы противостоять очень высоким ударным и ускорительным нагрузкам. Эти low-g акселерометры идеально подходят для измерения перемещений и низкочастотных вибраций и предназначены для использования в таких областях, как мониторинг траектории, оценка конструкции самолета/автомобиля, испытания на флаттер, испытание подвесок и тормозов автомобиля. Газовое демпфирование и встроенные ограничители на выход за пределы диапазона позволяют микродатчикам акселерометра противостоять ударным и ускорительным нагрузкам, присущим типичным high-g – приложениям.

 

4.  Интегральные акселерометры

             Современные технологии микрообработки позволяют изготовить интегральные акселерометры, имеющие малые габариты и низкую цену. В настоящее время изготавливаются ИМС акселерометров трех типов: пьезопленочные, объемные и поверхностные. 
 
    2.4.1 Пленочные пьезоэлектрические акселерометры

            Пленочные пьезоэлектрические датчики ускорения выполняются на основе многослойной пьезоэлектрической полимерной пленки. Многослойная пленка закреплена на подложке из окиси алюминия, и к ней присоединена инерционная масса из порошкового металла. При изменении скорости движения датчика в результате действия инерционных сил происходит деформация пленки. Благодаря пьезоэффекту возникает разность потенциалов на границах слоев пленки, зависящая от ускорения. Чувствительный элемент датчика обладает чрезвычайно высоким выходным сопротивлением, поэтому на подложке датчика ACH-01 компании Atochem Sensors имеется также полевой транзистор с малым током затвора, который представляет собой усилитель напряжения. Это позволяет измерять переменные ускорения со сравнительно низкой частотой. Датчики этого типа имеют плохую повторяемость характеристик в серийном производстве, высокую чувствительность к изменению температуры и давления. Они не могут контролировать постоянные ускорения и гравитационные силы. Основная область применения — схемы управления надувными подушками безопасности.

2. Объемные интегральные акселерометры

Примером объемного датчика  может служить NAC-201/3 компании Lucas NovaSensor , предназначенный для применения в системах управления надувными подушками безопасности автомобилей. Этот датчик состоит из двух пластин кремния 1 и 2, которые сплавлены друг с другом. Тремя тонкими кремниевыми балками c, d и e, имеющимися в пластине 1, инерционная масса а соединена с кремниевой рамкой b на пластине 2. Эта масса соединяется с кремниевой рамкой механически с одного края. Каждая из коротких внешних (изгибных) балок содержит пару имплантированных пьезорезисторов, образующих полумост. Два полумоста соединяются в мостовую схему. Когда происходит столкновение автомобиля с препятствием, масса движется вниз, изгибая балки c, d, e и вызывая деформацию пьезорезисторов. Таким образом, датчик и расположенная вне кристалла электронная схема обработки сигналов создают при работе выходной сигнал напряжением от 50 до 100 мВ полной шкалы, вызываемый деформацией пьезорезисторов, включенных по схеме моста Уитстона.

 
 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Интегральный акселерометр объемной конструкции

Поскольку к надежности системы  управления надувными подушками  безопасности предъявляются чрезвычайные требования (представьте себе последствия  ложного срабатывания подушки безопасности на оживленной автостраде при скорости 150 км/час), датчик снабжен системой самоконтроля. Ключевую роль в системе самоконтроля играет резистор-возбудитель, который нагревается пропусканием через него электрического импульса с силой тока 50 мА, напряжением 9 В и длительностью 50 мс. Когда балка, расположенная в средней части пластины 1, нагревается, происходит ее удлинение, поскольку температурный коэффициент расширения кремния положителен. А так как концы ее закреплены, она прогибается, отклоняет инерционную массу и изгибает балку, содержащую пьезорезисторы. Эта балка смещается примерно на 3 мкм в том же направлении, что и масса при столкновении автомо биля с препятствием.

 
 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6. Основной конструктивный блок элементарной ячейки датчика ускорения

          Микросхема датчика не содержит схемы обработки сигнала измерительного моста. Варианты датчика отличаются тем, что NAC-203 содержит встроенные толстопленочные схемы, позволяющие произвести лазерную подстройку чувствительности и температурной коррекции в процессе производства, а в NAC-201 реализация этих функций предоставляется пользователю. Входное и выходное сопротивления измерительного моста модели NAC-201 равны 2 кОм. Полоса пропускания по уровню 3 дБ составляет 500 Гц. Резонансная частота приборов, смонтированных в полном соответствии с рекомендациями изготовителя, — не менее 10 кГц.

 
 
Рис. 7. Структурная схема ИМС акселерометра ADXL50

              Интегральные датчики ускорения объемной конструкции имеют ряд недостатков. Во-первых, они сложны в производстве, поскольку операции формирования объемных структур не очень просто совмещаются со стандартными поверхностными интегральными технологиями. Во-вторых, желательно иметь датчик минимально возможных размеров на схемном кристалле также минимально возможных размеров. Уменьшение размеров кристалла дает повышение его механической прочности и снижение стоимости. В то же время в датчике объемной конструкции только на размещение чувствительного элемента требуется от 6,5 до 16 мм2 площади кристалла. Размещение на кристалле схем формирования сигнала может увеличить эту площадь еще в два раза. Поэтому, в частности, один из датчиков ускорения компании Motorola имеет двухкристальную конструкцию. На одном кристалле выполнен объемный чувствительный элемент, а на другом — схема обработки сигнала.