Акселерометрія

Результатом дії сили на будь-яке тіло може бути деформація тіла та його прискорення (зміна швидкості руху). Відповідно до цього усі силовимірювальні прилади поділяються на два типи:

• ті, що вимірюють деформацію тіла, до котрого докладено силу (знайомий нам динамометричний метод);

• ті, що вимірюють прискорення рухомого тіла (акселерометрія).

Акселерометрія (від лат. асselero - прискорюю) - це методика, котра дозволяє вимірювати прискорення ЗЦМ тіла людини та окре­мих його біоланок при виконанні рухів.

Акселерометр призначений для вимірювання прискорень. Робота такого датчика заснована на вимірюванні сили інерції, котра виникає під час руху.

Вимірювання прискорення відбувається у два етапи: 1) механічне вимірювання прискорення; 2) перетворення механічно­го переміщення маси датчика на електричний сигнал.

Механічне вимірювання прискорення. До досліджуваного об'єкта прикріплюється датчик, що складається з малої маси т на пружному підвісі певної жорсткості с. Рух об'єкта з прискоренням а обумовлює виникнення в акселерометрі сили інерції F = та, котра врівноважується пружною силою підвісу. Оскільки маса датчика m та жорсткість с є постійними величинами, то переміщення маси датчика буде пропорційним лінійному прискоренню об'єкта. Одночасно відносне пе­реміщення маси датчика дорівнює деформації пружного зв'язку, а це означає, що, вимірюючи цю деформацію, можна визначити шукане прискорення об'єкта. Коефіцієнт пропорційності k між виміряною де­формацією пружного елемента та виміряним прискоренням визнача­ється при таруванні: DL = kта, де: DL — величина деформації; D F — шукана величина вимірюваного зусилля, що визначається за таруван­ням залежно від реєструючого комплексу, що використовується.

Перетворення механічного переміщення маси датчика на елек­тричний сигнал здійснюється за допомогою так званих вторинних ви­мірювальних перетворювачів. Це можуть бути реостатні, індукційні, п'єзоелектричні та тензорезисторні перетворювачі. Найбільш пошире­ними у спорті є датчики прискорення, що використовують тензо- та п'єзоефект. П'єзорезисторні або п'єзокристалічні пластинки наклею­ються на пружний елемент. Під дією прискорення сила інерції маси датчика вигинає балку (пружний підвіс) у площині найменшої жор­сткості й тензодатчик перетворює деформацію балки на електричний сигнал.

Пружний (чутливий) елемент у вигляді консольної балки з ванта­жем на кінці дозволяє дуже просто виготовити трикомпонентний дат­чик прискорення, за допомогою котрого можна виміряти три складо­вих вектора прискорення. Пружні елементи балки орієнтовані так, що осі чутливості акселерометрів спрямовані по трьох взаємоперпендикулярних площинах.

Конструкція трикомпонентного тензоакселерометра. Конструк­тивно трикомпонентний тензоакселерометр являє собою плексиглазовий куб зі стороною 10 мм, у котрому три однакові циліндричні камери висвердлені продольно по трьох взаємно перпендикулярних осях (абсцис, ординат та аплікат) відносно загальної соматичної системи координат тіла людини (рис. 2.13).

Камери заповнені демпферною рідиною. В отвори занурені стальні балки однакового опору зі свинцевою напайкою на вільному кінці. На стальні балки з двох боків наклеєно по тензодатчику, котрі є суміжними плечами вимірювального моста. Консольні балки розта­шовуються в отворах у взаємно перпендикулярних площинах. Виходи з усіх трьох отворів щільно закриті спеціальною пробкою з вивідни­ми проводами. Кожний акселерометр через тензопідсилювач має ви­хід на три канали осцилографа і ПК, реєстрація вимірювань відбувається одночасно.

Датчик має спеціальні кріплення, розраховані на його фіксацію на тілі людини. Таким чином, він являє собою нібито відносно неру­хому, жорстко зв'язану з центром мас тієї чи іншої біоланки просто­рову координатну систему.

Для об'єктивного аналізу складних рухів обов'язковою умовою є отримання повного результуючого вектора прискорення:

Саме для цього необхідне вико­ристання трикомпонентного акселе­рометра. А для підвищення точності вимірювання необхідно знайти про­екцію сумарного вектора прискорен­ня соматичної (рухомої) системи ко­ординат на нерухому систему коор­динат (при дослідженні безударних процесів — локомоцій). Акселерометри закріплюють у ЗЦМ при локо­моторних переміщеннях та у ЦТ біоланки при вивченні рухів окремих біоланок.

Рис. 2.13. Загальний вигляд (а) та конструкція (б) тензоакселерометра: 1 — інерційний вантаж; 2 —консольна балка; 3 — тензочутливий елемент; 4 — струменевивідний контакт; 5 — пробка; 6 — рознімання; 7 — скоба для кріплення датчика до тіла; 8 – пластмасовий корпус датчика..

Для досліджень ударних (високо­частотних) процесів при переміщеннях - людини нині використовуються п'єзоакселерометри. Як приклад розглянемо трикомпонентний п'єзоакселерометр 4321 ("Брюль Й Кьер", Данія). Цей трикомпонентний п'єзоакселерометр містить у загальному ущільненому корпусі три акселерометри з нормалізованою чутливістю, головні осі котрих спрямовані пер­пендикулярно одна до одної. Отож цей акселерометр одночасно ви­мірює механічні коливання у трьох взаємно перпендикулярних нап­рямках і знаходить застосування там, де потрібні вимірювання з урахуванням просторової системи координат .

Легкий корпус з титану сприяє досягненню малої власної маси та широкого робочого частотного діапазону трикомпонентного акселе­рометра 4321 (верхня межа - 12 кГц). Конструкція усіх його еле­ментів, що основується на застосуванні працюючих під впливом зрі­зуваного зусилля трьох вирізів з п'єзокераміки, гарантує малу чутли­вість до деформації основи, змін температури та поперечних коливань у напрямках, що не співпадають з головними осями основних елементів. Чутливість заряду окремих елементів акселерометра 4321 відрегульовано індивідуально на нормалізоване значення приблизно 1пКл∙м ^-1∙с ^-1 (±2 %). Нормалізована чутливість полегшує калібрування вібровимірювальних систем та спрощує обробку результатів вимірювань при застосуванні підсилювачів заряду з фіксованим коефіцієнтом підсилення.

Для надійного кріплення акселерометра 4321 можна використо­вувати гвинт М4 довжиною 15 мм, що проходить через передбачений для нього у корпусі отвір, або шпильку 10-32NF, для котрої перед­бачений відповідний отвір в основі корпусу.

Трикомпонентний п'єзоелемент, що працює під впливом зрізувального зусилля (фабрична марка "Delta Shear"), використовуваний у нових акселерометрах типу 4321 фірми "Брюль і Кьер" (рис. 2.14), від­різняється унікальною конструкцією та високою якістю. Будова цих ак­селерометрів складається з трьох плоских прямокутних вирізів з п'єзокераміки, закріплених між розташованою у центрі опорою трикутного перерізу та трьома інерційними масами, притиснутими стяжним кіль­цем. Стяжне кільце впливає на трикомпонентний п'єзоелемент вели­кою радіальною силою. Поверхні опори п'єзоелектричних елементів та інерційних мас оброблено з малими допусками і ретельно доведено так, що у цих нових акселерометрах не використовуються проміжні клейкі шари (наприклад, в акселерометрах з плоским п'єзоелементом, що пра­цює під впливом зрізувального зусилля). Унікальна конструкція та ре­тельна обробка усіх деталей акселерометрів, що відносяться до варіан­та, описаного вище, гарантує лінійність та довгочасну стабільність па­раметрів і, загалом, добру стійкість до впливу зовнішнього середовища (Табл. 2.3).