Материал: Методы измерения ускорения и скорости. Физический принцип. Области применения. Преимущества и недостатки

При калибровке датчика определяются следующие характеристики:

1.      Чувствительность - отношение электрического выходного сигнала к механическому входному. Она обычно выражается в вольтах на единицу измерения ускорения, соответствующую определенным условиям. Чувствительность обычно определяется для синусоидального сигнала с эталонной частотой.

.        Частотная характеристика - поведение выходного сигнала в рабочем частотном диапазоне акселерометра.

.        Резонансная частота недемпфированного датчика - четко детектируемый пик, который на 3-4 дБ выше выходного сигнала датчика на эталонной частоте. Для датчика с коэффициентом демпфирования, близким к критическому, этот пик может быть не очень отчетливым, в этом случае измеряется сдвиг фаз. На резонансной частоте он будет равен 180° относительно фазы сигнала на эталонный частоте.

.        Уровень выходного сигнала при нулевом внешнем воздействии (для емкостных и пьезорезистивных датчиков). Этот параметр определяется для положения датчика, в котором его чувствительная (активная) ось перпендикулярна направлению силы гравитации Земли. В датчиках, имеющих постоянную составляющую выходного сигнала, влияние гравитации необходимо устранять, иначе она может быть ошибочно воспринята как механическое воздействие.

.        Линейность акселерометра. Данный параметр определяется во всем динамическом диапазоне входных сигналов.

Акселерометры делятся по их физическому принципу работы. Выделяют:

·        Емкостные акселерометры

·        Пьезорезистивные акселерометры

·        Пьезоэлектрические акселерометры

·        Тепловые акселерометры (с нагреваемой пластиной и нагреваемым газом)

Среди перечисленных принципов, емкостной метод преобразования измеренного перемещения является наиболее точным и надежным. Поэтому емкостные акселерометры получили самое широкое распространение.

Раздел 2. Реальные устройства и их применение

.1 Оптический датчик скорости

При подаче напряжения на излучатель начинается вырабатываться оптическое излучение, которое при отсутствии препятствий попадает на фототранзистор (фотодиод, фотосимистор и т.д.), и он открывается при периодическом прерывании луча оптического излучения. На выходе фототранзистора появляются электрические импульсы, которые поступают на счетчик импульсов. Счетчик импульсов во взаимодействии с вычислителем производит преобразование импульсов в выходной сигнал, пропорциональный скорости вращения производственного механизма.

Рис. 5. Функциональная схема оптического датчика скорости

Оптические датчики скорости классифицируются на три группы:

·        Тип T - с приемом прямого луча от излучателя;

·        Тип R - с приемом луча, возвращенного от отражателя;

·        Тип D - с приемом луча, рассеянно отраженного от объекта.

Рис. 6. Оптические датчики скорости (а - тип Т, б - тип R, в - тип D)

датчик оптический ускорение измерение

Тип T характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в отдельных корпусах. Прямой оптический луч идет от излучателя к приемнику и может быть перекрыт объектом воздействия.

Тип R характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Приемник принимает луч излучателя, отраженный от специального отражателя. При этом возможны два варианта использования этих изделий:

·        объект воздействия прерывает луч при неподвижно закрепленном отражателе;

·        отражатель закрепляется на подвижном объекте.

Тип D характеризуется тем, что излучатель и приемник размещены в одном корпусе. Приемник принимает луч излучателя, рассеянно отраженный от объекта воздействия.

Контролируемый объект может перемещаться как вдоль относительной оси, так и под углом к ней.

В качестве примера рассмотрим датчик скорости типа R фирмы НПК "ТЕКО" OX A42A-31P-1500-LZ (измеритель скорости и длины).

Датчик состоит из излучателя и приемника, встроенных в корпус. Оптическое излучение инфракрасного спектра от излучателя попадает на световозвращатель (катафот) и, отражаясь от него, попадает в приемник датчика. Контролируемый объект, попадая в зону действия датчика, прерывает оптическое излучение и вызывает изменение выходного сигнала датчика.

Предназначен для обнаружения контролируемого объекта и коммутации исполнительных устройств промышленной автоматики. Может использоваться, например, как датчик скорости на конвейере. А также, как защитный датчик (сигнализация).

Рис. 7. Оптический датчик OX A42A-31P-1500-LZ

В таблице 2 приведены основные параметры датчика OX A42A-31P-1500-LZ.

Таблица 2 - Основные технические характеристики

2.2 Датчик скорости вращения

Эффект Холла (Рис. 8) - это возникновение в металле (или полупроводнике) с плотностью тока j, который помещен в магнитное поле B, электрического поля в направлении, перпендикулярном B и j.

Рис. 8. Эффект Холла

Если металлическую пластинку с плотностью тока j поместим в магнитное поле В, перпендикулярное j (Рис. 8). При заданном направлении j скорость носителей тока в металле (в данном случае - электронов) направлена справа налево. На электроны действует сила Лоренца, направленная в данном случае вверх. Значит, у верхнего края пластинки создается повышенная концентрация электронов (отрицательно зарядится), а у нижнего - их недостаток (положительно зарядится). В результате этого между краями пластинки появится дополнительное поперечное электрическое поле, которое направленно снизу вверх. Когда напряженность ЕB данного поперечного поля достигнет величины, при которой его действие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца(2.1), то установится стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Тогда

где  - поперечная (холловская) разность потенциалов, а - ширина пластинки.

Учитывая, что сила тока равна:

(n - концентрация носителей зарядов - электронов, S - площадь поперечного сечения пластинки толщиной d, v - средняя скорость упорядоченного движения электронов), найдем:

Т.е. холловская поперечная разность потенциалов прямо пропорциональна магнитной индукции В, силе тока I и обратно пропорциональна толщине пластинки d. В формуле (2.5)

постоянная Холла, которая зависит от вещества. Измеряя значение постоянной Холла можно:

·        найти концентрацию носителей тока в проводнике (при известных зарядах носителей и характере проводимости)

·        делать выводы о природе проводимости полупроводников, поскольку знаки постоянной Холла и знаки заряда e носителей тока совпадают.

По этой причине эффект Холла наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках. Эффект Холла лежит в основе одной из распространенных технологий бесконтактной регистрации приближения, перемещения и скорости вращения ферромагнитных объектов. Эта технология опирается на свойство полупроводниковой структуры генерировать разность потенциалов при воздействии внешнего магнитного поля.

Датчики вращения на эффекте Холла широко применяются в автомобилестроении, с его помощью измеряют угол положения распредвала, на некоторых автомобилях - угол положения коленвала, на более старых автомобилях он сигнализировал о моменте искрообразования.

В качестве примера возьмем магнитный датчик контроля угловых перемещений фирмы ЗАО КБ "Оптимум" МДС - 2.3.

МДС-2.3 предназначен для бесконтактного измерения скорости вращения стальных зубчатых колес. Датчик располагается вблизи вращающихся стальных деталей. При прохождении 1 зуба (паза) колеса через зону чувствительности на выходе датчика образуется 1 импульс тока. Частота импульсов пропорциональна количеству зубьев и скорости вращения.

Рис. 9. Общая схема датчика

В таблице 3 приведены основные характеристики датчика МДС-2.3.

Таблица 3 - Основные технические характеристики

.3 Датчик ускорения

В настоящее время применение емкостных датчиков в промышленной и бытовой электронике обусловлено рядом преимуществ датчиков данного типа. Прежде всего, отметим высокую точность и воспроизводимость измерений, защиту от перегрузок и прочность, высокий КПД, малые габариты, широкий диапазон рабочих температур.

Рассмотрим принцип работы емкостных датчиков ускорения. Схематическое изображение датчика представлено на рис. 10.

Рис. 10. Схема емкостного датчика ускорения.

Внутри датчика находится элемент, у которого имеется две жестко закрепленные крайние пластины и одна центральная пластина, прикрепленная к инерциальной массе, которая может сдвигаться под действием инерциальных сил, вследствие упругого соединения. Расстояние между пластинами при этом изменяется, что приводит к изменению емкости между пластинами. Таким образом, схематично данную структуру можно представить в виде последовательного соединения двух конденсаторов с эквивалентными емкостями C1 и С2. Емкость одного из них уменьшается, а другого - увеличивается в соответствии с выражением:

где A - площадь пластины;  - диэлектрическая постоянная; D - расстояние между пластинами.

Акселерометр может применяться как для измерения проекций абсолютного линейного ускорения, так и для косвенных измерений проекции гравитационного ускорения.

В устройствах управления игровых приставок акселерометр совместно с гироскопом используются для управления в играх без использования кнопок - путем поворотов в пространстве, встряхиваний и т.д. Например, в контролерах Wii Remote и Playstation Move присутствует акселерометр.

Акселерометры используют в жестких дисках для активации механизма защиты от повреждений, полученных в результате ударов, встрясок и падений. Акселерометр реагирует на внезапное изменение положения устройства и паркует головки жесткого диска, что позволяет предотвратить повреждение диска и потерю данных. Такая технология защиты используется в основном в ноутбуках, нетбуках и на внешних накопителях.

Акселерометр в промышленной вибродиагностике является вибропреобразователем, измеряющим виброускорение в системах неразрушающего контроля и защиты.

Как пример датчика ускорения возьмем акселерометр ВС-202. Данный датчик внесен в реестр средств измерений РФ под №49619-12.

Емкостной акселерометр ВС-202 предназначен для измерения параметров вибраций (виброускорения) на движущихся частях машин и механизмов и линейного ускорения. Может использоваться, как датчик положения, поскольку измеряет не только переменную, но и постоянную составляющую сигнала ускорения. При установке акселерометров ВС 202 на наклонную поверхность можно измерить центробежное ускорение.

Акселерометр ВС-202 используется в автоматизированных измерительных системах для контроля и измерения уровней вибрационных сигналов и шумов машинного оборудования, а также для спектрально-корреляционного анализа вибраций.

Преимущества:

·        Многофункциональность

·        Простота калибровки

Недостатки:

·        высокий уровень собственных шумов

·        динамический диапазон акселерометра ВС-202 составляет 40-60 ДБ (в то время как средний динамический диапазон для пьезокерамических акселерометров - порядка 80-100 дб.)

Рис. 11. Акселерометр ВС-202 и его размеры.

Основные характеристики датчика приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Основные технические характеристики