относительно высокая точность измерений;

низкая чувствительность к внешним ускорениям и ударам;

малая подверженность влиянию изменений температуры;

возможность настройки (балансировки) на оптимальный режим;

малый вес, размеры, стоимость, не требуют обслуживания.

Вкачестве примера вибрационных микроизмерителей угловой

скорости, способных обеспечивать разрешающую способность до 0,20/мин, можно привести однокристальный кремниевый микродатчик

скольцевым резонатором фирмы Silicon Sensing Systems Japan Ltd (рис. 4.24).

Его вибрационное кольцо имеет диаметр всего 2.7 мм. Чувствительность этого датчика составляет 140 mV на 10/с. Микродатчик обладает высокой надежностью, не требует обслуживания.

Рис. 4.24. Микродатчик угловой скорости.

4.7.2. Акселерометры.

Акселерометрами называют устройства, которые измеряют линейные ускорения. Эти приборы уже находят применение на морских судах. Можно привести следующие примеры. В современных курсоуказателях, построенных по strapdown-технологиям, данные акселерометров служат для определения положения горизонтальной плоскости. В системах мониторинга нагрузок на корпусе акселерометры применены для определения вероятности слеминга и опасных значений ускорений корпуса судна на волнении.

Акселерометры могут быть различных типов: струнные, маятниковые, жидкостные, кварцевые и т.д.

Принцип измерения ускорений. В основе работы акселерометров лежит второй закон Ньютона: когда ускорение a действует на известную «чувствительную массу» m, возникает сила F = ma , измерив которую можно получить значение ускорения.

Чтобы измерить силу, в акселерометрах обычно применяют пружину (рис. 4.25). Величина l растяжения/сжатия пружины пропорциональна действующей силе, а, следовательно, и ускорению:

161

l = kaa ;

где ka - коэффициент пропорциональности.

Для измерения l в современных акселерометрах обычно используется один из трех методов:

–Емкостной;

–Пьезорезисторный;

–Пьезоэлектрический.

Рис. 4.25. Схема акселерометра: а) в спокойном состоянии; б) под действием ускорения.

На рис. 4.25 показан вариант первого метода. Как известно, емкость плоского конденсатора может быть определена по формуле:

C =εS /(4πd) =σ / d ;

где S – площадь поверхности одной обкладки конденсатора; d – расстояние между обкладками; ε – диэлектрическая проницаемость материала, находящегося между обкладками; σ = 0.25εS / π .

Кремниевый емкостной акселерометр. Одним из прогрессирующих видов измерителей ускорений являются кремниевые емкостные акселерометры, благодаря своим малым размерам и низкой стоимости. Они относятся к устройствам невысокой точности. Однако она вполне достаточна для применения этого вида акселерометров в датчиках горизонта гирокомпасов, построенных по strapdownтехнологии, и в измерителях ускорений систем мониторинга нагрузок на корпусе судна.

Пружины

Пластина В

о

Рис. 4.26. Схема кремниевого емкостного акселерометра.

Состав прибора. Акселерометр рассматриваемого вида (рис. 4.26) состоит из трех кремниевых пластин (A, M, B) и пружинок между ними. Эти элементы помещены в герметическую камеру, заполненную

162

специальным «демпфирующим» газом. Внешние пластины A, B по отношению к корпусу акселерометра неподвижны, а внутренняя – M, представляет собой чувствительную массу акселерометра. На пластинах с помощью фотолитографии нанесена металлическая сетка.

Пластины являются обкладками двух конденсаторов, обозначим их A, B в соответствии с названием внешних пластин акселерометра. Емкости СА и СВ этих конденсаторов зависят соответственно от расстояний dА, dВ между пластинами А-М и В-М.

Принцип измерений ускорений. Акселерометр измеряет ускорения, действующие по оси ох.

При отсутствии ускорений расстояния между пластинами А-М и В-М одинаковы (dА=dВ=d0) и емкости СА и СВ конденсаторов равны:

СА= СВ= С0.

Когда вдоль оси акселерометра действует ускорение а (допустим по направлению ох), то зазоры между пластинами меняются на одинаковую величину, dА - увеличивается, а dВ - уменьшается:

Соответственно изменяются и емкости конденсаторов:

Если измерить эти емкости, то можно определить ускорение по формуле:

a= d0 (CB −CA ) . ka (CB +CA )

Для получения значений емкости конденсаторов на них подается переменный ток i частотой ω, и измеряется напряжение U между обкладками конденсаторов. Оно равно U =iRc , где RC =1/(ωC) –

сопротивление конденсатора. Отсюда следует, что

C = ωiU = kω /U

где kω =i /ω .

Характеристики акселерометров. Микроакселерометры могут быть однокоординатными, двухкоординатными и иметь разную точность.

Приведем характеристики одного из кремниевых емкостных измерителей ускорений:

–Диапазон измерений – 100 м/с2;

–Стабильность нуля – 0,0001 м/с2;

– Уровень шума, 1/ Гц – 0,001 м/с2;

– Нестабильность масштабного коэффициента – 0,15% ;

163