Лекция 1 - весна

Акселерометры

Определение

Акселерометр – это датчик/прибор, измеряющий кажущееся ускорение. Ускорение – физическая величина, определяющая быстроту изменения скорости тела, то есть первая производная от скорости по времени. Ускорение является векторной величиной, показывающей, на сколько изменяется вектор скорости тела при его движении за единицу времени:

Согласно 2 закону Ньютона:

Отсюда можно сделать вывод о том, что ускорение является следствием действия силы на тело. Различают два типа ускорения: кажущееся и гравитационное. Кажущееся ускорение — ускорение, сообщаемое телу всеми действующими на него внешними силами, за исключением сил тяготения. Гравитационное ускорение – ускорение, сообщаемое телу гравитационными силами. Полное ускорение является суммой кажущегося и гравитационного ускорения.

Несмотря на огромное разнообразие акселерометров, все они основаны на одном и том же физическом принципе. А именно, отклонении массы под действием сил инерции и измерении этого отклонения. Массу называют инерционной массой, чувствительным элементом или чувствительной массой. Чувствительный элемент большинства акселерометров состоит из массы, смонтированной в корпусе на элементах подвеса различного конструктивного исполнения. По виду движения чувствительных элементов акселерометры делятся на осевые и маятниковые. В осевых акселерометрах конструкция подвеса обеспечивает прямолинейное движение массы, а в маятниковых – угловое. Для того, чтобы ориентироваться в выборе акселерометра, следует изучить принцип его работы. Рассмотрим принцип работы прибора на примере осевого акселерометра. Кинематическая схема осевого акселерометра представлена на рисунке 1.

Рисунок 1.1 – Кинематическая схема осевого акселерометра: 1 – корпус; 2 – пружины подвеса; 3 – инерционная масса; 4 – демпфер; 5 – датчик перемещения

Инерционная масса (ИМ) 3 подвешена на упругом подвесе в виде пружин 2. При отсутствии ускорения по оси чувствительности натяжение пружин 2 одинаково, и инерционная масса располагается в среднем положении. Во время движения объекта с ускорением 𝑉x ̇ ИМ остаётся неподвижной, а корпус движется с ускорением, что приводит к деформации пружин, как к элементам связи массы с корпусом прибора.

Смещение подвижного узла пропорционально ускорению, с которым движется корпус 1 акселерометра в направлении оси X. Смещение узла с помощью датчика перемещения 5 преобразуется в электрический сигнал. Для успокоения колебаний инерционной массы относительно корпуса служит демпфер 4. Для объяснения природы действующих на чувствительный элемент сил, ниже представлено уравнение его движения [1] относительно корпуса прибора:

где 𝑚 – инерционная масса; Δx – смещение инерционной массы от положения равновесия; b – коэффициент осевого демпфирования; с – жесткость пружины; 𝐹𝑥 – сумма всех вредных сил, действующих на подвижный элемент (трение, тяжение токопроводов и т.д.). Рассмотрим принцип работы маятникового акселерометра. Кинематическая схема маятникового акселерометра представлена на рисунке 2. Уравнение движения подвижного узла маятникового компенсационного акселерометра относительно корпуса имеет вид [11]:

где 𝐽𝑧 - момент инерции подвижного узла; 𝐾д – коэффициент углового демпфирования; 𝐶подв – угловая жесткость подвеса; Сос – коэффициент передачи обратной связи; 𝑚𝐿 – маятниковость подвижного узла; 𝑀вр - сумма неучтённых вредных моментов (моменты трения, тяжения токопроводов и т.д).

В зависимости от назначения к акселерометрам предъявляются различные требования статических и динамических характеристик.

В связи с этим акселерометры бывают телеметрическими, то есть прямого преобразования, в которых смещение инерционной массы пропорционально кажущемуся ускорению.

И компенсационные – в которых используются обратные связи для компенсации основных погрешностей, в виде датчика силы или момента возвращающего маятник в исходное состояние. Такие акселерометры являются прецизионными (высокоточными), из-за малости рабочего угла поворота маятника. Существует достаточно большое количество разнообразных акселерометров, отличающихся друг от друга:

 по назначению (для измерения линейных ускорений при ударах, вибрациях, для измерения подвижных объектов и т.д.)

по числу измеряемых компонент ускорения (измеряющие ускорения вдоль одной оси - однокомпонентные, вдоль двух осей двухкомпонентные, по трём осям – трёхкомпонентные.)

 по характеру измерения во времени выходной величины (аналоговые и дискретные)

 по типу используемой инерционной массы (с ИМ из твёрдого тела, с жидкой ИМ, с использованием заряженных частиц и электронов.)

 по способу подвеса ИМ (с упругим подвесом, с аэродинамическим, с гидравлическим, с электромагнитным, с комбинированным подвесом.)

 по природе сил, уравновешивающих действия ускорения на ИМ (электромагнитные, упругие и т.д.)

 по типу датчика смещений ИМ (с датчиком индуктивного типа, с емкостным, с потенциометрическим, с индукционным, с оптическим и т.д.) И по другим признакам.

Выделим наиболее важные из них, которые могут дать достаточно полное представление, как о принципе действия, так и о конструктивном исполнении прибора. Ниже изображена структурная схема, представляющая основную классификацию акселерометров

Типы акселерометров

Механический акселерометр является самой простой и полностью соответствует классической конструкции, которая была придумана изначально. У нее подвешенный груз закрепляется на эластичном подвесе. При изменении положения корпуса прибора под воздействием инерции подвешенное тело компенсирует перекос, тем самым воздействия на пружину, на которой оно крепится. В результате специальный механизм определяет подобные колебания и переводит их в показатель линейного ускорения.

Электронные предусматривают совмещение механических частей прибора с датчиками. Они позволяют осуществить более точное и быстрое измерение параметров перемещения положения закрепленной массы. Подобные устройства в разы более компактные, и внешне могут представлять собой миниатюрный чип для микросхемы, габариты которого не превышают размер ногтя на мизинце.

Пьезоэлектрические имеют внутри твердый стержень, который постоянно находится под давлением и воздействует на пьезокристалл. В результате вибрации осуществляется выработка электрического тока. Измеряя параметры напряжения проводится определение фактических показателей ускорения.

Термальные (Пузырьковые) имеют в своей конструкции миниатюрный пузырек воздуха. При ускорении он отклоняется от своего положения, что фиксируется чувствительными датчиками.

Кварцевые компенсационные акселерометры (макромеханические акселерометры)

К макромеханическим акселерометрам относятся маятниковые компенсационные акселерометры типа ДА-11, АК-5-15, АК-5-50, ДЛУК – 3. разработанные в середине 70-х годов прошлого века, которые до настоящего времени находят широкое применение

Таблица 1.1 – Характеристики акселерометров, изготавливаемых по традиционным технологиям

Акселерометры АК-5, ДЛУК, ДА -11 предназначены для измерения линейного ускорения, действующего по измерительной оси и выдачи электрического сигнала в виде напряжения постоянного тока, величина которого пропорциональна линейному ускорению. Представляют собой маятниковый акселерометр компенсационного типа. Основные узлы: чувствительный элемент, датчик угла, датчик момента. Чувствительные элементы капиллярных акселерометров типа АК-5, ДЛУК подвешены на растяжках, помещенных в капиллярные трубки, заполненные вязкой жидкостью. Порог чувствительности достигает 5х10-4 м/с2

В датчике акселерометрическом ДА-11 чувствительный элемент размещен на прецизионных часовых опорах. Порог чувствительности достигает 5х10-6 м/с2. Акселерометры этой группы относятся к навигационному классу и применяются в управляемых гиростабилизаторах авиационных носителей.

Маятниковый акселерометр (МА) производства НПО «Электромеханики» [4].

Прибор относится к маятниковым акселерометрам (МА) компенсационного типа и предназначен для измерения проекции приращения кажущейся скорости на ось чувствительности. Акселерометр является одноосными маятниковыми акселерометрами компенсационного типа с упругим подвесом, жидкостным демпфированием инерционной массы, с цифровой обратной связью и цифровым каналом формирования выходной информации.

Конструктивная схема электромеханического узла маятникового компенсационного акселерометра приведена на рисунке 6. Патент РФ №2041464 от 09.08.1995г. (авторское свидетельство 1979г.) и патент РФ №2039354 от 09.07.1995г. (авторское свидетельство 1988г.).

На рисунке 1.6 обозначено: 3 – корпус прибора;

4 – магнитоэлектрический датчик силы (магниты и катушка);

1 – каркас (маятник);

2 – дифференциальный емкостной датчик перемещения (каркас и плата);

6 – упругий подвес (5 – основание подвеса, 8 – опора подвеса; 7 – упругий элемент подвеса)

Рисунок 1.6 – Конструктивная схема маятникового узла акселерометра МА

Выходная информация о приращении кажущейся скорости выдается акселерометром по внешнему запросу блока электроники или ЭВМ по магистрали информационного обмена RS-232 в виде шестнадцатиразрядного двоичного кода. Приборы используют в системе управления ракеты-носителя «Союз-2», в системе управления противокорабельной ракеты морского базирования «Оникс», в системе управления ракеты берегового сухопутного противокорабельного комплекса «Бастион», в системе управления перспективной противокорабельной ракеты «Циркон».

Микромеханические акселерометры. К микромеханическим относятся акселерометры, выполненные по технологиям микромеханики (МЭМС – микроэлектромеханические системы). МЭМС акселерометры имеют чувствительный элемент, включающий инерционную массу на упругом подвесе, преобразователь её перемещений и обслуживающую электронику, выполненные на одном кристалле. На рисунке 1.7 [5] представлена конструкция чувствительного элемента такого акселерометра, указаны размеры, которые, как можно заметить, на несколько порядков меньше, чем у акселерометров других групп. Этим и обуславливается главное преимущество микромеханических акселерометров – меньшие габариты.

Рисунок 1.7 – Конструкция чувствительного элемента акселерометра с крестообразным сечением торсионов (а), фотография платы (б)

Интегральные (гибридные). К интегральным (гибридным) относятся акселерометры чувствительный элемент которых выполнен из монокристаллической пластины по технологиям МЭМС, например, кремниевой, а силовые элементы компенсационного преобразователя и электроника – по традиционным технологиям. К этому типу относятся акселерометры типа А (А-12,15,16,17) Раменского приборостроительного конструкторского бюро. [7]

Рисунок 1.9 – Общий вид акселерометра серии А

Акселерометры серии «А» предназначены для измерения линейного ускорения в инерциальных навигационных системах, курсовертикалях и системах управления подвижными объектами.

Таблица 1.4 – Характеристики акселерометров серии А

Особенности

Виды акселерометров

Существует три разновидности акселерометров. Они бывают одноосные, двуосные и трехосные. Наиболее часто используемыми являются трехкомпонентные устройства. Они имеют возможность измерять проекцию кажущегося ускорения в 3-х плоскостях.

Космос

МЕМС датчики

Определение

Типы

Назначение

Особенности

Примеры применения

Акселерометр – это измерительный прибор позволяющий определить проекцию кажущегося ускорения. В простейшем исполнении он представляет собой грузик, закрепленный на упругом подвесе. При его отклонении от первоначального положения на упругом подвесе можно определить направление изменения положения, а также величину ускорения.

Printsip raboty akselerometra

Сфера применения устройства

Развитие технологий привело к внедрению акселерометра в различные виды оборудования, позволяя расширить их технические возможности. Если сразу после изобретения подобные датчики применялись только на паровозах с целью определения скорости их движения, то сейчас такие приборы можно встретить повсеместно.

Акселерометр в телефонах и планшетах

Долгое время акселерометры относились к оборудованию, которое не интересно окружающим. С развитием электронных технологий подобная тенденция пошла на убыль, сделав этот прибор известным среди широких масс. В первую очередь этому поспособствовало появление современных смартфонов, в корпусе которых имеется такое устройство.

Akselerometr v telefonakh i planshetakh

Именно благодаря акселерометрам при изменении положения экрана смартфон переводит ориентацию изображения с книжной на альбомную. Впервые данный прибор был применен в мобильном телефоне компанией Nokia. Устройство было установлено в телефон Nokia 5500. Помимо переключения ориентации экрана, акселерометры обеспечивают возможность управления в играх, в частности гонках, где для управления транспортом нужно делать уклоны смартфоном.

При изучении инструкции телефонов, планшетов и прочей мобильной компьютерной техники можно увидеть информацию о наличие так называемого G-датчика. Он и есть тот самый акселерометр.

Именно акселерометр позволяет с помощью специального приложения использовать смартфоном в качестве строительного уровня.

Telefon kak stroitelnyi uroven

Установка в фитнес-браслетах

Также причиной популяризации акселерометра стала мода на фитнес браслеты и умные часы. Данное устройство предназначено в первую очередь для обеспечения реализации функции шагомера. Осуществляя шаги, тело человека придает ускорение инертной массе внутри чувствительного чипа.

Программное обеспечение реагирует на особый тип колебаний, который может возникать на инертной массе только при выполнении шага. В остальных случаях, к примеру, при небольших покачиваниях рукой колебания не засчитываются. Все же обмануть шагомер возможно сделав такое телодвижение, чтобы прибор засчитал его как шаг. Но фактическое количество ложных шагов, которые считаются на протяжении дня, не слишком высокое, что создает минимальную погрешность измерений. Акселерометры у современных даже дешевых шагомеров не реагируют на мелкую встряску, к примеру, если прибор лежит в сумке, а не закреплен на руке.

Применение в видеорегистраторах

Акселерометры можно встретить и в конструкции многих видеорегистраторов. Казалось бы, такое оборудование явно не нуждается в подобном датчике. На самом деле производители регистраторов нашли весьма интересное применение для акселерометра. Он связан с программным обеспечением отвечающим за проведение съемки и сохранение видео данных. Датчик ускорения настроен таким образом, что при появлении неестественных инертных нагрузок, к примеру, при резком торможении или маневре на скорости, подается соответствующий сигнал. В результате видеорегистратор записывает видео в особенный файл. Благодаря этому результаты съемки сохранятся, и прибор не сможет автоматически их удалить, чтобы очистить память для дальнейшей регистрации.

Использование в сфере автомобилестроения

Акселерометр является обязательной частью современного автомобиля, в котором уделяется особое внимание безопасности. В этом случае применяется полноразмерный пьезоэлектрический прибор. Благодаря акселерометру обеспечивается нормальная работа пневмоподвески, круиз-контроля и пр.

Akselerometr avtomobilnyi

Установка для сохранения данных на жестком диске

Винчестеры ноутбуков, нетбуков, а также съемные жесткие диски зачастую имеют в своей конструкции акселерометр. Задача такого датчика заключается, в случае падения компьютера, подать предупредительный сигнал на жесткий диск. Тот является командой для остановки головок винчестера. Это позволяет предотвратить серьезные повреждения диска и сохранить записанные на нем данные.

Применение в сфере строительства

Также акселерометры применяются в качестве оборудования, которое осуществляет измерение колебаний зданий. Устройство могут использовать как отдельное диагностическое оборудование и как постоянный датчик. Также прибор данной конструкции может применяться для мониторинга систем целостности трубопроводов. С его помощью оценивают и эффективность работы мостов.

Akselerometr 2

Применение в сейсмостанциях

С помощью акселерометра осуществляется фиксация землетрясений. Такие датчики входят в устройство современных сейсмографов. Они отличаются повышенной точностью, что дает возможность определить силу колебаний по шкале Рихтера. Такие приборы отличаются от классического строения акселерометра. Закрепленное тело остается неподвижным, в то время как в результате колебаний двигается только корпус самого устройства.

На сейсмостанциях применяются одноосные акселерометры. Одни применяются только для фиксации горизонтальных колебаний, а другие вертикальных.

Использование в летательных аппаратах

Также акселерометр можно встретить в конструкции беспилотных устройств. Благодаря работе датчика осуществляется контроль плоскости движения аппарата. Это существенно облегчает дистанционное управление, особенно если прибор находится вне предела зоны видимости. Наличие акселерометра позволяет избежать неправильного направления движения аппарата, а также дает ему возможность автоматически вернуться к точке запуска, если управление было потеряно или была нажата соответствующая кнопка.

Поведение в невесомости

Для обеспечения работы акселерометра важно наличие притяжения. Сначала теоретически, а потом и экспериментально на космических станциях было подтверждено, что акселерометры не способны действовать в условиях невесомости. В космосе в любом положении, а также при встряске показания устройства всегда равны нулю. В связи с этим традиционные датчики наклона на основе акселерометра, которые применяются повсеместно, на космических аппаратах совершенно бесполезны.

Причины погрешности прибора

При работе акселерометра могут возникать отклонения показаний его измерения. На это в первую очередь может влиять влажность и температура окружающей среды. Это меняет свойства материалов, которые применяются при изготовлении приборов. Также помехи создает внешнее магнитное поле. Для минимизации его влияния конструкции датчика могут иметь различные технические дополнения. Также погрешность измерений получается в результате вибрации объекта измерения.

Технические особенности устройств

Акселерометры могут отличаться между собой не только по направлению их использования, но и техническими особенностями. При выборе данного устройства, к примеру, при ремонте различного оборудования, которое им уже комплектовалось, стоит отдавать предпочтение аналогичному датчику. Также возможен выбор устройств с более высоким динамическим диапазоном. Этот показатель отражает максимальную амплитуду колебаний, на которую способен отреагировать прибор. Также важным показателем является чувствительность прибора. Различные изделия отличаются между собой по диапазону частоты, которая измеряется в Гц.

Маятниковая вертикаль для беспилотного летательного аппарата

Петрухин В.А.*, Мельников В.Е.**

http://trudymai.ru/upload/iblock/a3d/petrukhin_melnikov_rus.pdf?lang=ru&issue=88

https://ru.bmstu.wiki/Акселерометр