Нужен акселерометр? Столкнувшись с разнообразием технологий, формы, размера, диапазона измерений, нововведений даже самые опытные инженеры могут столкнуться с проблемой выбора правильной модели. Надеемся, что данная статья поможет быстрее сориентироваться в широкой номенклатуре акселерометров.
Первый шаг к правильному выбору акселерометра – это определение наиболее подходящего параметра измерений. Сегодня используются три технологии построения акселерометра:
- пьезоэлектрические акселерометры – самый распространенный на сегодняшний день вид акселерометров, которые широко используются для решения задач тестирования и измерений. Такие акселерометры имеют очень широкий частотный диапазон (от нескольких Гц до 30 кГц) и диапазон чувствительности, а также выпускаются в различных размерах и формах. Выходной сигнал пьезоэлектрических акселерометров может быть зарядовым (Кл) или по напряжению. Датчики могут использоваться для измерений как удара, так и вибрации.
- пьезорезистивные акселерометры обычно имеют малый диапазон чувствительности, поэтому они больше подходят для детектирования ударов, чем определения вибрации. Еще одна область их применения – испытания на безопасность при столкновении. В большинстве своем пьезорезистивные акселерометры отличаются широким диапазоном частот (от нескольких сотен Гц до 130 кГц и более), при этом частотная характеристика может доходить до 0 Гц (т.н. DC датчики) или оставаться неизменной, что позволяет измерять сигналы большой продолжительности.
- акселерометры на переменных конденсаторах относятся к компонентам новейших технологий. Как и пьезорезистивные акселерометры, они имеют DC ответ. Такие акселерометры отличаются высокой чувствительностью, узкой полосой пропускания (от 15 до 3000 Гц) и отличной температурной стабильностью. Погрешность чувствительности в полном температурной диапазоне до 180°C не превышает 1.5 %. Акселерометры на переменных конденсаторах используются для измерений низкочастотной вибрации, движения и фиксированного ускорения.
Схематично, параметры, измеряемые акселерометрами, можно сгруппировать в следующие классы:
Перед обсуждением технологии и особенностей применения, необходимо сделать несколько общих замечаний.
Частотная характеристика – это зависимость электрического выходного сигнала акселерометра от внешнего механического воздействия в частотном диапазоне с фиксированной амплитудой. Это один из основных параметров, от которого зависит выбор того или иного компонента. Диапазон частот обычно определяется серией экспериментов и указывается в спецификации. Обычно этот параметр указывается с точностью ±5% от опорной частоты (обычно 100 Гц).
Многие компоненты специфицированы на ±1 дБ или ±3 дБ. Эти значения указывают на точность акселерометра в заданном частотном диапазоне. Многие data sheet содержат графики типичной АЧХ, которые иллюстрируют флуктуацию точности компонента в различных частотных диапазонах.
Другой важный параметр акселерометра – число осей измерения. Сегодня выпускаются компоненты с одной и тремя измерительными осями. Еще одна возможность построения сложной системы – это организация трех акселерометров в один измерительный блок.
Лучший выбор для измерения вибрации – это пьезоэлектрические акселерометры, благодаря их широкой частотной характеристике, хорошей чувствительности и высокой разрешающей способности. В зависимости от типа выходного сигнала они могут быть с зарядовым выходом и с выходом по напряжению (IEPE).
В последнее время широко используются акселерометры с вольтовым выходным сигналом, поскольку они удобны в применении. Несмотря на разнообразие торговых марок и модификаций, все производители компонентов этой группы придерживаются единого псевдо-стандарта, поэтому легко заменяемы между собой. Обычно такие акселерометры имеют в своей структуре усилитель заряда, поэтому не требуют дополнительных внешних компонентов. Всё, что нужно для подключения акселерометра, - это источник постоянного тока. Таким образом, для измерения вибраций в известном диапазоне и в пределах температурной нормы -55…125°C (до 175°C для высокотемпературных моделей) рекомендуется использовать пьезоэлектрические акселерометры с выходным сигналом по напряжению.
Преимущества акселерометров с зарядовым выходом проявляются в возможности работы при высоких температурах и в широком диапазоне амплитуды, который определяется настройками усилителя заряда (заметим, что акселерометры по напряжению имеют фиксированный диапазон амплитуды). Типичный рабочий диапазон температур составляет -55…288°C, а специализированные компоненты могут работать в диапазоне -269…760°C.
Однако в отличие от IEPE акселерометров, емкостные датчики требуют применения специальных малошумящих кабелей, цена которых значительно превышает цену на стандартные коаксиальные кабели. Для подключения датчиков также потребуются усилители заряда и линейные конвертеры. Подводя итоги, можно придти к заключению, что емкостные акселерометры предпочтительны для высокотемпературных измерений неизвестных заранее ускорений.
В приложениях, где требуется измерять вибрацию очень малой частоты, рекомендуется использовать акселерометры на переменных конденсаторах (VC). Их частотная характеристика составляет от 0 Гц до 1 кГц, в зависимости от требуемой чувствительности. При проведении измерений низкочастотной вибрации VC акселерометр с частотной характеристикой 0-15 Гц будет иметь чувствительность 1 В/г. Такие датчики незаменимы в электрогидравлических шейкерах, в автомобилестроении, в тестовых испытаниях машин и конструкций, в системах подвески, железнодорожном транспорте.
Для измерений ударных ускорений используются две технологии, модельный ряд представлен компонентами на различный уровень силы удара и с различными выходными характеристиками. Выбор акселерометра для ударных ускорений, в первую очередь, зависит от ожидаемого уровня ударного ускорения.
Для измерения малых ударных ускорений можно использовать акселерометры общего применения. Акселерометр должен иметь линейный диапазон до 500 г и ударопрочность 500 г. Обычно для этого используются датчики с выходным сигналом по напряжению, поскольку они не чувствительны к кабельным вибрациям. Для аттенюации резонанса рекомендуется использовать усилитель с фильтром нижних частот.
Для тестовых испытаний машин на безопасность используются пьезорезистивные акселерометры. Для измерений ударов в дальней зоне применяются специализированные акселерометры со встроенным фильтром и сдвиговой модой. Электронный фильтр уменьшает собственную резонансную частоту акселерометра для предотвращения перегрузки оборудования.
Акселерометры для измерений в ближней зоне имеют рабочий диапазон до 20,000 г. Здесь выбор зависит от специфики проводимого теста, поэтому используются как пьезоэлектрические, так и пьезорезистивные датчики. Обычно такие приборы имеют встроенный механический фильтр.
Также как и при измерении вибрации, частотная характеристика является важнейшим параметром датчиков ударного ускорения. Желательно, чтобы такие датчики имеют широкий диапазон частот (около 10 кГц).
Для таких целей наиболее подходящим выбором станут акселерометры с переменной емкостью. Они позволяют измерять медленные изменения ускорения и низкочастотную вибрацию, при этом уровень их выходного сигнала достаточно высок. Также, такие датчики обеспечивают высокую стабильность в широком диапазоне рабочих температур.
При установке VC акселерометра в положение, когда его ось чувствительности параллельна оси земного притяжения, выходной сигнал датчика будет равен усилию в 1 г. Такая закономерность известна как DC отклик. Благодаря такой особенности, акселерометры на переменных конденсаторах часто используются для измерений центробежной силы или ускорений и замедлений подъемных устройств.
После выбора акселерометра соответствующей технологии и отвечающего требованиям целевого применения необходимо рассмотреть ряд следующих факторов. В первую очередь, это условия окружающей среды, где датчик будет использоваться. Сюда относятся рабочая температура, максимальный уровень ускорения и влажность.
| Технология | Температурный диапазон |
| Пьезоэлектрические общего применения | -55…260°C |
| Пьезоэлектрические высокотемпературные | -55…650°C |
| Пьезоэлектрические низкотемпературные | -184…177°C |
| С выходом по напряжению общего применения | -55…125°C |
| С выходом по напряжению высокотемпературные | -55…175°C |
| Пьезорезистивные | -55…66°C |
Диапазон измерений акселерометра указывается в спецификации дважды, что может спутать инженера по применению. Действительный диапазон указывается в динамических характеристиках. Например, IEPE акселерометр может иметь диапазон 500 g, но при определенных условиях среды может выдерживать удар до 1000 g и 2000 g. 500 g – это максимальный диапазон линейной работы акселерометра. Параметры, указанные для определенных условий эксплуатации, показывают максимально допустимый уровень удара.
В случае с акселерометрами зарядового типа, динамические характеристики не содержат рабочего диапазона, поскольку он во многом зависит от усилителя заряда. Здесь лучше обратиться к линейности амплитудной характеристики, которая указывается в разделе динамических параметров. Также как и в предыдущем случае, максимальный диапазон измерений, указанный при определенных условиях эксплуатации, свидетельствует о предельной нагрузочной способности акселерометра.
О возможностях работы датчиков во влажной среде свидетельствуют различные указатели на герметичность исполнения корпуса. Следует заметить, что непрерывное изменение температурных условий может нарушить эпоксидную изоляцию корпуса датчика.
Поскольку современные технологии производства акселерометров используют немагнитные материалы, магнитная чувствительность редко указывается в спецификации на компоненты. Если датчик предназначен для установки на гибкие поверхности, на ведущее место выходят параметры изгиба основания. Сгиб поверхности приводит к изгибу основания акселерометра, что может привести к ошибочному срабатыванию датчика в результате вибрации. Поэтому следует избегать применения компрессионных акселерометров на гибких поверхностях.
При соприкосновении акселерометра и объекта измеряемое ускорение изменится. Этого эффекта можно избежать, если не забывать про вес самого датчика. В качестве эмпирического правила можно принять то, что вес акселерометра должен превышать вес предмета не более чем на 10%.
Когда необходимы датчики с малым выходным сигналом или широким динамическим диапазоном, следует обратиться к параметрам разрешения и чувствительности.
Акселерометр преобразовывает механическую энергию в электрический выходной сигнал. Такой сигнал может выражаться в мВ/г или в пКл/г (для датчиков с зарядовым выходом). Обычно линейка акселерометров содержит несколько моделей с различной чувствительностью, оптимальное значение которой зависит от уровня измеряемого сигнала. Например, для измерений сильных ударных колебаний требуются датчики с низкой чувствительностью.
Для приложений, требующих измерений малых ускорений, лучшим решением будет использование акселерометра с высокой чувствительностью, где выходной сигнал будет выше уровня шума усилителя. Например, если ожидается уровень вибрации 0.1g, а чувствительность датчика составляет 10 мВ/g, напряжение выходного сигнала составит 1 мВ и потребуется акселерометр с более высокой чувствительностью.
Разрешение связано с минимальным значимым сигналом акселерометра. Этот параметр базируется на уровне собственных шумов акселерометра (а при выборе IEPE акселерометра, и на внутренней электронной схеме) и выражается в g rms.
Перейти в каталог 
"Датчики ускорения"
