2. Огляд можливих схем побудови приладу

Конструктивну схему приладу складають, виходячи з досвіду попередніх конструктивних розробок і вимог технічного завдання з урахуванням технологічних можливостей підприємства-виготівника.

В даний час застосовують наступні типи акселерометрів: з механічною пружиною, з електричною пружиною, одноразово інтегруючі, двократно інтегруючі.

Акселерометри з механічною пружиною

Застосовуються тоді, коли значення добротності приладу, що задається, не перевищує і коли не пред'являються жорсткі вимоги по забезпеченню стабільності нуля і лінійності вихідної характеристики акселерометра . Переваги акселерометрів з механічною пружиною — низька вартість, простота конструкції і експлуатації приладу, простота забезпечення вимірювання великих прискорень (за рахунок вибору належної жорсткості пружини). Останнє особливо істотно для осьових акселерометрів.

Чутливість акселерометра з механічною пружиною визначається з і . Поклавши і отримаємо:

; .

Основні джерела похибок акселерометрів — наявність гістерезисних явищ в механічній пружині, нестабільність жорсткості пружини, викликана її старінням і впливом на точність приладу параметрів датчика кута (переміщення), підсилювальних і перетворюючих пристроїв.

Рис.2. Кінематичні схеми побудови акселерометрів з механічною пружиною:

1 – тягарець; 2 – мембрани підвісу; 3 – гвинтова пружина; 4 – плоска пружина.

Акселерометри з потенціометричним датчиком переміщення

Такі акселерометри мають задовільну роздільну здатність, хорошу стабільність і лінійність вихідної характеристики і практично нульовий залишковий сигнал, забезпечують високий рівень вихідного сигналу (десятки вольт постійної напруги). Останнє дозволяє використовувати прилад в системах автоматичного управління без підсилювальних і перетворюючих пристроїв.

Недоліки датчика потенціометра — підвищене тертя, недостатня надійність в умовах великих перевантажень і вібрацій, ступінчастість вихідної характеристики. Кути відхилення рухомого вузла, відповідні максимальному прискоренню в таких акселерометрах, складають 3—5°. Акселерометри з механічною пружиною і датчиком потенціометра переміщення (кута) застосовують як грубих вимірників прискорення із-за їх конструктивної простоти, простоти використання.

Акселерометри з індукційним датчиком кута

Індукційні датчики кута застосовують в різних модифікаціях великогабаритних акселерометрів старої розробки. У нових розробках акселерометрів з механічною пружиною індукційні датчики практичного застосування не знайшли. Недоліки акселерометрів з індукційним датчиком — наявність залишкового сигналу, складність забезпечення стабільності і лінійності вихідної характеристики, необхідність застосування підсилювальних пристроїв і фазочутливих випрямлячів. Максимальний кут відхилення рухомого вузла в маятникових акселерометрах з індукційним датчиком не перевищує ~1°.

Акселерометри з автогенераторним індукційним датчиком

Вони є транзисторним автоколивальним генератором з включеними в його схему індуктивностями. Останні виконані у вигляді мініатюрних сердечників (найчастіше з фериту) з обмотками. При переміщенні рухомого вузла приладу індуктивності і режим роботи автогенератора змінюються. Вихідним сигналом датчика є або випрямлений сигнал автогенератора, або падіння напруги на опорі, що включається послідовно в ланцюг живлення генератора. Датчик має високу крутизну характеристики і малі габарити. Застосовується в конструкціях мініатюрних акселерометрів.

Недоліки датчика — залежність його параметрів від зміни навколишньої температури і часу, тому їх не слід застосовувати в тих випадках, коли потрібне мале і стабільне значення нульового сигналу акселерометра.

Акселерометри з п'єзометричним датчиком

Вони є заздалегідь напруженим п'єзоелектричним елементом з напиленими на його поверхню металевими контактами. П’єзоелемент використовується як резонатор автоколивального генератора. При зміні навантаження на п’єзоелемент змінюється частота коливань генератора, що є вихідним сигналом датчика. П'єзодатчик одночасно виконує роль пружини.

Датчик володіє високою температурною і тимчасовою стабільністю, хорошою лінійністю, мініатюрний і забезпечує цифровий (частотний) вихід, що дозволяє використовувати його в цифрових системах управління, дуже перспективний.

Акселерометри з п'єзодатчиками є найбільш точними з акселерометрів з механічною пружиною і по характеристиках наближаються до акселерометрів з електричною пружиною. Недолік полягає в тому, що вони не забезпечують на виході аналогового сигналу. Вказаний недолік перешкоджає їх використанню у разі відсутності на борту обслуговуваного ними об'єкту цифрової обчислювальної машини.

Акселерометри з тензочутливими датчиками

У нових розробках акселерометрів з механічною пружиною як датчики переміщення застосовують різного вигляду тензодатчики, транзисторні сило вимірювальні датчики і т.д. Широкого розповсюдження вказані датчики в даний час не отримали.

У акселерометрах з механічною пружиною зазвичай застосовують повітряні демпфери, що мають просту конструкцію. Найбільш доцільна установка повітряних демпферів в акселерометрах з потенціонометричним датчиком переміщення. У ряді приладів, в основному з тензометричними і п'єзоелектричними датчиками, не встановлюють спеціального демпфера, обмежуючись слабким демпфіруванням, що виникає при деформації кристала (тензодатчика). Магнітоіндукційні демпфери із-за їх громіскості в акселерометрах не застосовують.

Акселерометри з електричною пружиною

Акселерометри з електричною пружиною застосовуються, коли добротність, що задається, перевищує (1÷2)·10² і коли пред'являються жорсткі вимоги по забезпеченню стабільності нуля і лінійності вихідної характеристики акселерометра . Схема акселерометра приведена на рис 2.

Передатна функція осьового акселерометра з електричною пружиною може бути отримана з рівняння заміною на — коефіцієнт передачі датчика сили; —жорсткість підвісу (зазвичай жорсткість струмопідводів); і — струм, що управляє.

Рис.3. Схеми акселерометрів маятникового (а) і осьового (б) типу з електричною пружиною

1,3,4 – датчик кута, моменту переміщення; 2-маятник;5-обмотка датчика сили; 6 – інерційна маса

Враховуючи, що а для сталого стану маємо

— еталонний опір.

Аналогічно з для маятникового акселерометра отримаємо

Тут — кутова жорсткість підвісу; ( ) — жорсткість електричної пружини, або коефіцієнт посилення розімкненого контура (для осьового акселерометра для маятникового — ); — коефіцієнт передачі датчика моменту.

При достатньо великій величині ( ) забезпечується незалежність вихідної характеристики акселерометра від параметрів датчика кута (переміщення), підсилювача перетворювача, параметрів підвісу і впливу перехресного прискорення. Точність акселерометра в цьому випадку визначається тільки стабільністю коефіцієнта передачі датчика сили (моменту), маси маятниковості рухомого вузла m(ml) і .

При незмінних динамічних характеристиках акселерометра можна змінювати змінюючи відношення і зберігаючи незмінну суму . Точніше регулювання коефіцієнта передачі датчика момента до потрібного значення зазвичай здійснюють,або набором опорів , або підключенням опору . При цьому необхідно слідкувати за тим, щоб здійснювалось відношення , де — опір обмотки моментного датчика.

У деякому випадку може спостерігатися значна зміна що виникає із-за температурної зміни опору обмотки моментного датчика і перерозподілу струму зворотного зв'язку між і .

Електромеханічні вузли акселерометрів з електричною пружиною бувають «сухі» і поплавкового типу з гідростатичним розвантаженням опор. Переваги «сухих» акселерометрів — порівняльна частота забезпечення стабільності коефіцієнта передачі і малий час готовності. Недолік «сухих» акселерометрів — складність забезпечення високої лінійності вихідної характеристики і малого порогу чутливості. Така складність пояснюється необхідністю застосування грубих і міцних опор, здатних витримувати вагу рухомого вузла за наявності перевантажень.