Датчик ускорения или акселеро́метр (лат. accelero — ускоряю и μετρέω — измеряю) — прибор, измеряющий разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением силы тяготения. Существуют трёхосевые акселерометры, которые позволяют измерять ускорение сразу по трем осям (трёхмерном измерении 3D).
Пьезоэлектрические акселерометры
Являются универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров.
Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания. Отсутствие движущихся элементов конструкции исключает возможность износа и гарантирует исключительную долговечность пьезоэлектрических акселерометров. Отдаваемый акселерометром сигнал, пропорциональный ускорению, можно интегрировать с целью измерения и анализа скорости и смещения механических колебаний.
Основным элементом пьезоэлектрического акселерометра является диск из пьезоэлектрического материала (искусственно поляризованная ферроэлектрическая керамика). Подвергаемый действию силы пьезоэлектрический материал генерирует на своих поверхностях, к которым прикреплены электроды, электрический заряд, пропорциональный воздействующей силе.
Пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями инерционная масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний.
Отдаваемый акселерометром электрический сигнал пропорционален ускорению воздействующих на него механических колебаний.
Основные варианты конструкции пьезоэлектрических акселерометров:
- Вариант сжатия, в котором масса воздействует силой сжатия на пьезоэлектрический элемент;
- Вариант сдвига, характерным для которого является работа пьезоэлемента под действием срезывающего усилия, обусловленного внутренней массой акселерометра.
Датчики ускорения MEMS систем (технологии и устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компоненты, изготавливаются на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра).
Акселерометры микроэлектромеханических MEMS систем делятся на два типа:
- сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал;
- актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.
Самыми распространенными из MEMS-сенсоров являются датчики движения телефонов, коммуникаторров, игровых приставок, фотокамеры и ноутбуки все чаще и чаще снабжаются акселерометрами (датчиками ускорения) и гироскопами (датчиками поворота).
В портативных компьютерах акселерометры выполняют улавливают момент, когда жесткий диск может подвергнуться повреждению из-за удара, в фототехнике стабилизируют изображения.
Размер корпуса пьезогироскопа Epson XV-8000 составляет 6×4,8×3,3 мм, а трехосного акселерометра LIS302DL производства ST Microelectronics – всего лишь 3x5x0,9 мм. Причем речь именно о размерах готового устройства с корпусом и контактами – сам кристалл еще меньше.
В акселерометрах происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.
Часто применяются датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.
Датчики ускорения вращения
В роли датчика ускорения могут использоваться асинхронный тахогенератор если его обмотку возбуждения питать постоянным током. Постоянный магнитный поток Фв индуцирует в роторе ЭДС вращения Евр, которая создает ток и магнитный поток, направленный по поперечной оси тахогенератора Фq = kce/rр*nФв (Рис.6.). Этот поток, будучи сцепленным с витками генераторной обмотки, наводит в ней ЭДС, пропорциональную производной угловой скорости вращения вала.
Фактически тахогенератор становится измерителем не скорости вращения а ее изменения (ускорения или замедления), т.е. акселерометром.
Как датчик ускорения АТГ часто используется в измерительных и испытательных системах, например для записи кривой момента асинхронного двигателя и регистрации паразитных моментов от высших гармоник магнитного поля.
Источник: http://www.e-ope.ee/_download/euni_repository/file/2393/Teooria.zip/_54.html