Прибор для измерения ускорения принцип работы: Что такое акселерометр? Определение — Типы — Применение

Что такое акселерометр? Определение — Типы — Применение

Большинство современных устройств используют датчики для контроля и управления различными физическими величинами, такими как давление, температура, влажность, интенсивность света, направление и т.д. Один из таких датчиков, используемый для измерения ускорения устройств, называется датчиками акселерометра.

Когда-то давно вы бы нашли такие датчики только в современных машинах, таких как космические ракеты или реактивные самолеты. Теперь они есть практически в каждом смартфоне, ноутбуке, автомобиле и игровой консоли. Давайте копнем глубже и выясним, что это такое, как они работают, и для чего они используются?

Что такое акселерометр?

Определение: Акселерометр — это электромеханический инструмент, который измеряет ускорение (скорость изменения скорости). Ускорение может быть статическим, как ускорение, вызванное гравитацией, или может быть динамическим, как движение и вибрации, вызванные внешним фактором.

Измеряя величину гравитационного ускорения, инструмент может вычислить угол, под которым он наклонен относительно Земли. Например, акселерометр, установленный на поверхности Земли, будет измерять ускорение 9,81 м / ^с2 в прямом направлении вверх.

Измеряя величину динамического ускорения, можно определить, насколько быстро и в каком направлении движется устройство. Например, трехосевой акселерометр может определять величину и направление (во всех трех осях) ускорения как векторную величину.

Цель

Акселерометры используются в различных отраслях промышленности и научных исследованиях. Они в основном используются в электронных устройствах для определения ориентации, ускорения координат, ударов и вибрации.

Акселерометры, встроенные в смартфоны,например, выясняют, когда переключать макет экрана с ландшафтного на портретный. Данные, предоставляемые этими датчиками, могут помочь определить, идет ли устройство вверх или падает вниз.

Высокочувствительные акселерометры интегрированы в инерциальные навигационные системы ракет и реактивных двигателей. Беспилотные летательные аппараты также используют такие устройства для стабилизации полета.

Как работает акселерометр?

Механический акселерометр состоит из пружины, прикрепленной массой. Эта пружина обычно подвешивается внутри наружного корпуса. Когда все устройство ускоряется, корпус сразу же движется в том же направлении. Масса, однако, остается в своем положении (на короткое время), растягивая пружину с силой, соответствующей ускорению.

Принцип работы механического акселерометра

Измеряя длину пружины растяжения, мы можем определить ускорение. Это может быть сделано различными способами. Сейсмометр, например, использует тот же принцип для измерения землетрясений.

Когда происходит землетрясение, он трясет корпус сейсмометра, но масса движется дольше. К массе прикрепляется ручка, чтобы проследить ее движение на бумажном графике.

Современные акселерометры генерируют электрические или магнитные сигналы вместо того, чтобы использовать след от ручки на бумаге.

Самые распространенные типы акселерометров

Большинство коммерческих устройств оснащены емкостными, пьезорезистивными и пьезоэлектрическими приборами для преобразования механического движения в электрический сигнал.

1. Пьезоэлектрические акселерометры используют пьезоэлектрический эффект определенных материалов для измерения ускорения, вибрации или механического удара. Эти материалы накапливают электрический заряд (пьезоэлектричество) в ответ на приложенное механическое напряжение.

Принцип работы пьезоэлектрического акселерометра

К массе прикрепляется пьезоэлектрический материал, например, цирконат-титанат свинца. При движении акселерометра масса оказывает механическое давление на этот материал. В результате этого материал вырабатывает крошечное электрическое напряжение, которое можно расшифровать, чтобы вычислить соответствующее ускорение.

2. Пьезорезистивные акселерометры работают по аналогичному принципу. Они используют изменение сопротивления пьезорезистивных материалов для преобразования механического напряжения в выходное напряжение постоянного тока. Эти типы акселерометров подходят для измерений удара, где уровень g и диапазон частот значительно высоки.

Endevco 727 | легкий пьезорезистивный акселерометр, идеально подходящий для измерения удара при испытаниях на падение

Пьезоэлектрические компоненты, напротив, не имеют себе равных по высокотемпературному диапазону и малому весу в упаковке.

3. Емкостные акселерометры основаны на изменении электрической емкости в ответ на ускорение. Они содержат два компонента: первичную (стационарную) пластину, прикрепленную к корпусу, и вторичную пластину, соединенную с массой, которая свободно перемещается внутри корпуса.

Емкость изменяется с расстоянием между двумя металлическими пластинами, и, измеряя емкость, можно определить приложенное ускорение. Эти типы акселерометров могут измерять постоянное, а также медленное переходное и периодическое ускорение.

Трехосный емкостный акселерометр

Современные акселерометры бывают всех трех форм. Они часто представляют собой микроэлектромеханические системы (MEMS), содержащие несколько компонентов, каждый размером от 1 до 100 микрометров. Акселерометры, встроенные в планшеты и смартфоны, обычно имеют площадь менее 100 миллиметров.

Микромеханический акселерометр чувствителен только к одному направлению в плоскости. Двухосевой акселерометр построен путем интеграции двух устройств перпендикулярно, а трехосный акселерометр может быть сделан путем добавления другого устройства вне плоскости. Интегрированный модуль может быть гораздо более точным, чем три отдельных устройства, объединенные после упаковки.

Для достижения сверхвысокой чувствительности можно использовать квантовое туннелирование. Однако этот процесс является чрезвычайно сложным и дорогостоящим.

С помощью существующих технологий мы можем измерять ускорения до тысяч g. Инженерам и производителям приходится идти на компромисс между максимальным измеряемым ускорением и чувствительностью устройства.

Применение

Акселерометры используются в различных областях, от инженерной и бытовой электроники до биологии и медицинских технологий. Ниже приведены наиболее часто используемые датчики акселерометров.

Навигация

Инерциальная навигационная система (также называемая инерциальной эталонной платформой) использует компьютер и акселерометры для непрерывного измерения местоположения, ориентации и скорости движущегося объекта без каких-либо внешних ориентиров.

Инженерия

Акселерометры широко используются для измерения вибрации на машинах, автомобильных двигателях и зданиях. В автомобильном секторе акселерометры с высоким значением g используются для обнаружения дорожно-транспортных происшествий и установки подушек безопасности в нужное время.

Они также используются для контроля работоспособности оборудования и регистрации вибрации вращающихся инструментов, таких как компрессоры, турбины, которые, если их не обслуживать, могут привести к дорогостоящему ремонту. Некоторые акселерометры специально настроены (встроены в гравиметры) для измерения гравитационных сил.

В космических аппаратах акселерометры используются для обнаружения апсиса — точки на орбите спутника, в которой он наиболее удален от Земли.

Бытовая электроника

Они используются практически во всех ноутбуках, мобильных телефонах и камерах для определения положения и ориентации устройства и отображения контента в вертикальном положении на экранах. Игровые приставки, такие как пульт дистанционного управления PlayStation DualShock , используют трехосевой акселерометр, чтобы сделать рулевое управление более реалистичным в гоночных играх.

Многие производители ноутбуков используют акселерометры для защиты жестких дисков от повреждений. Если датчик обнаруживает внезапное падение, головки жесткого диска припаркованы, чтобы избежать повреждения диска и потери данных.

Биология и медицинское применение

В биологических науках все чаще используются акселерометры. Данные, получаемые с помощью высокочувствительных трехосных акселерометров, позволяют ученым различать поведенческие модели животных, когда они находятся вне поля зрения.

Многие автоматические внешние дефибрилляторы содержат акселерометр для определения глубины сдавления грудной клетки СЛР.

Несколько компаний производят часы для спортсменов, которые состоят из акселерометров для измерения скорости и пройденных дистанций бегунов. Современные будильники фазы сна также интегрированы с акселерометрическими датчиками, так что они могут обнаружить движение спящего и разбудить человека в цикле не-быстрого сна.

Акселерометр. Виды и типы. Работа и применение. Особенности

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.

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.

Данное оборудование бывает:

• Механическим.
• Электронным.
• Пьезоэлектрическим.
• Термальным.

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

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.

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.

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.

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.

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.

Похожие темы:

Акселерометр — Национальная библиотека им. Н. Э. Баумана

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 18:00, 25 мая 2017.

Акселерометр – это прибор, с помощью которого измеряется кажущееся ускорение. Он призван помочь программному обеспечению смартфона определить положение, а также расстояние перемещения мобильного устройства в пространстве.
Часто этот датчик путают с гироскопом. Однако, это разные датчики, хотя взаимодополняют друг друга, и даже могут выполнять одни и те же функции. Их отличие заключается в принципе работы, а также в эффективности выполнении конкретных задач. Могут использоваться совместно, для достижения наиболее точных результатов.

Принцип работы

Схема акселерометра

Акселерометр состоит из пружины, подвижной массы и демпфера. Пружина крепится к неподвижной поверхности, к пружине крепится масса. С другой стороны ее поддерживает демпфер, который гасит собственные вибрации груза. Во время ускорения массы деформируется пружина. На этих деформациях и основываются показания прибора. Три таких прибора, объединенные в одну систему и сориентированные по осям позволяют получать информацию о положении предмета в трехмерном пространстве.

Когда происходит встряска, наклон или поворот объекта, в который встроен акселерометр, инертная масса реагирует на силу инерции. С увеличением интенсивности и силы наклона, поворота или сотрясения увеличивается радиус деформации пружины. Затем грузик принимает свою прежнюю позицию, благодаря пружине. Специальный датчик фиксирует уровень смещения инертной массы от ее положения в состоянии «покоя». Затем эти данные преобразуются в электрический сигнал, и передаются на обработку электроникой, и программным обеспечением. Благодаря полученным данным программа может «вычислить» изменения в физических изменениях расположения объекта.
Еще есть такое понятие, как ось чувствительности прибора. Если ось только одна, датчик сможет передать данные об изменении положения объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси. Чтобы увеличить чувствительность датчика, и получить точные данные о силе и направлении наклона объекта, необходимо две, а еще лучше три оси. Объединив в один прибор сразу три оси, можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.
^{[Источник 1]}

Акселерометр часто называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению — когда и в какую строну повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра в телефоне: если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр не работает — перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. ^{[Источник 2]}

Применение

1. Навигационные устройства летательных аппаратов. Самолеты, вертолеты и даже ракеты не обходятся без сложных систем навигации. Акселерометр и гироскоп служат для них основой.
2. Автомобильные спидометры и видеорегистраторы. Первые определяют скорость по отклонению массы, а вторые определяют важные события (экстренное торможение, резкая смена скорости) и записывают их в отдельные файлы.
3. Промышленные системы контроля вибрации различных станков, производственных линий и агрегатов. На показаниях прибора работают системы защиты, которые отключают питание или изменяют характеристики работы при достижении критических значений.
4. В информационных технологиях такие приборы применяются для защиты жестких дисков от падений и сотрясений. Они отдают команду считывающим головкам занять безопасное положение во время падения. Это значительно снижает потерю данных и повреждения диска.
5. На телефонах и планшетах:

• Автоматическая смена ориентации экрана при повороте девайса.
• Управление игровым процессом при помощи наклонов.
• Реагирование устройства на определенные жесты, и выполнение соответствующих действий (смена музыкального трека, отключение будильника или отклонение звонка). Примеры жестов: постукивание по корпусу или его встряхивание, переворот смартфона экраном вниз.
• Определение и визуальная демонстрация изменений положения человека в пространстве через навигационные приложения (Google Карты и др.).
• Возможность отслеживания физической активности. Классический пример – подсчет пройденной дистанции при помощи шагомера.

Принцип работы в смартфонах

Схема конструкции

Инженерами разработана специальная миниатюрная конструкция акселерометра. Все конструктивные элементы размещаются в чипе. К неподвижному корпусу на упругих приставках, которые позволяют перемещение в определенных пределах, крепится перегородка с отведенными в сторону проводниками. Эти отводы размещаются между контактами, которые и снимают показания. При перемещении отводов напряженность поля вокруг контактов меняет свои характеристики, что и служит показателем для измерения. Производить такие мелкие детали путем физической обработки материалов практически невозможно. Для производства этих устройств используются различные реакции силикона с другими веществами. Благодаря точному расчету времени нанесения и удаления реактива получается производить такие приборы на автоматизированных конвейерных линиях.^{[Источник 3]}

Появления акселерометра в смартфонах

Первый прибор подобного типа появился в телефоне Nokia 5500. Тогда он служил в качестве шагомера. В восторг пришли не только приверженцы активного образа жизни. Основной резонанс вызвало появление акселерометра в Apple iPhone. Именно с тех пор наличие такого прибора стало стандартом для мобильных устройств.
Постепенно создавалось все большее количество приложений с использованием акселерометра. За шагомером в телефоне появился уровень, после этого акселерометр был приспособлен для нужд операционной системы и реализовано управление в играх с его помощью. Применяется он для разнообразных служебных приложений. Так, на основе технологий беспроводной связи и акселерометра была создан ряд приложений, которые позволяют передавать данные посредством соударения устройств.
Акселерометр в планшете и современном телефоне используется в комбинации с гироскопами, открывая широкие возможности для разработки разнообразных игр. ^{[Источник 4]}

Параметры

• Масштабный коэффициент — коэффициент пропорциональности между измеряемым кажущимся ускорением и выходным сигналом (электрическим сигналом, частотой колебаний (для струнного акселерометра) или цифровым кодом).
• Пороговая чувствительность (разрешение) — величина минимального изменения кажущегося ускорения, которое способен определить прибор.
• Смещение нуля — показания прибора при нулевом кажущемся ускорении.
• Случайное блуждание — среднеквадратичное отклонение от смещения нуля.
• Нелинейность — изменения зависимости между выходным сигналом и кажущимся ускорением при изменении кажущегося ускорения. ^{[Источник 5]}

Акселерометр в условиях невесомости

В условиях невесомости истинное ускорение объекта вызывается лишь гравитационной силой и потому в точности равно гравитационному ускорению. Таким образом, кажущееся ускорение отсутствует и показания любого акселерометра равны нулю. Все системы, использующие акселерометр как датчик наклона, прекращают функционировать (не изменяется положение изображения при повороте корпуса).

Источники

1. ↑ Что такое акселерометр в смартфоне // mobcompany.info URL: https://mobcompany.info/interesting/chto-takoe-akselerometr-v-smartfone-princip-ego-stroeniya-i-raboty.html (дата обращения 25.05.2017)
2. ↑ Акселерометр // NIX URL: http://www.nix.ru/computer_hardware_news/hardware_news_viewer.html?id=190224 (дата обращения 25.05.2017)
3. ↑ Как работает акселерометр в смартфонах и планшетах // itupdate.ru URL: http://itupdate.ru/devaysyi/smartfonyi/kak-rabotaet-akselerometr-v-smartfone-ili-planshete.html (дата обращения 25.05.2017)
4. ↑ Акселерометр в телефоне // Geek Nose URL: http://geek-nose.com/akselerometr-v-telefone-chto-eto-princip-raboty-foto/ (дата обращения 25.05.2017)
5. ↑ Акселерометр // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BA%D1%81%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80 (дата обращения 25.05.2017)

Принцип работы акселерометров

Акселерометр – это измерительный прибор. С его помощью можно фиксировать и анализировать вибрации, а также движение и ускорение. С прибором напрямую связано понятие «кажущейся силы», так вот назначение акселерометра в его измерении.

Кажущейся силой называют геометрическую разницу между реальным ускорением объекта и ускорением силы гравитации нашей планеты. Понятие применяется в системах инерционной навигации.

 

ТРЕХОСЕВОЙ АКСЕЛЕРОМЕТР: ПРИНЦИП РАБОТЫ

Акселерометры различаются по типу выхода (аналоговые и цифровые), по частотным диапазонам, а также по количеству осей.

Трёхосный акселерометр способен показывать частоты, периоды и формы собственных колебаний зданий и сооружений. Прибор позволяет анализировать ускорение, действующее в направлении сразу трёх осей. В некоторых случаях такое измерение является единственным способом получить необходимую информацию в полном объёме.

Под крышкой корпуса такого акселерометра располагают пьезоэлементы. Они должны находится симметрично вдоль осей, находящихся перпендикулярно.

 

Пьезоэлемент и принципы его работы

Этот вид акселерометров считается своего рода «лидером». Ведь любое другое подобное устройство сильно уступает ему в точности, ширине как рабочего, так и частотного диапазонов. Более того, пьезоэлеметные приборы отличает прочность и надёжность.

Ещё одним плюсом такого устройства считается то, что в процессе его использовании нет необходимости искать способ подключиться к электрической сети, аккумулятору или какой-либо источник питания. Отсутствие движущихся элементов даёт возможность говорить об очень низкой степени износа прибора.

Если говорить о механике работы такого прибора, то это активные датчики, которые генерируют электросигнал, пропорциональный колебаниям. Главным элементом в таком акселерометре считается компонент, который подвергается воздействию. Так появляется электрический заряд, пропорциональный силе, воздействующей на него.

 

 

оптимальное решение!

СД-1Э — трехкоординатный акселерометр, предназначенный для мониторинга зданий и сооружений, плотин, мостов, нефтяных платформ и трубопроводов.

 

У нас есть и готовые решения на базе СД-1Э:

Акселерометр СД-1Э + АЦП

Акселерометр СД-1Э + АЦП + Программное обеспечение

Акселерометр: что это такое и как им определять наклон тела

Акселерометр — это прибор, позволяющий измерять ускорение тела под действием внешних сил. Схематически, этот прибор можно изобразить в виде массивного тела, которое способно передвигаться вдоль некоторой оси и соединено с корпусом пружинами. Смещение тела относительно центра оси можно измерить с помощью механической стрелки, как показано на рисунке. В состоянии покоя тело находится на равном удалении от стенок прибора и стрелка указывает на середину шкалы. Если весь прибор толкнуть вправо (кадр B), то груз сместится по оси влево до момента, когда сила растянутой пружины уравновесит внешнюю силу. В этот момент, стрелка повернется и укажет на некоторое значение на шкале. Чем больше внешняя сила, тем дальше смещается груз, тем большее значение показывает стрелка. Когда сила перестанет действовать на тело, груз вернется на прежнее положение и прибор покажет на нулевое значение шкалы.

1. Электронный МЭМС-акселерометр

Разумеется, внешний вид современного акселерометра отличается от этой простой модели с пружинками, но не сильно. Как и прежде, для измерения ускорения нам требуется какое-то массивное тело, которое будет скользить по направляющей и удерживаться в нейтральном положении пружинками. При этом, всё это должно быть очень миниатюрным, чтобы поместиться в тот же смартфон. На помощь приходит технология МЭМС (микроэлектромеханические системы). С помощью МЭМС удаётся выращивать механический акселерометр на кремниевой подложке таким же методом, которым создаются и обычные микросхемы. Так выглядит МЭМС акселерометр на снимке, полученном при помощи микроскопа. Схема работы такого прибора представлена ниже. Чтобы измерить смещение массивного тела вдоль оси прибора здесь применяется дифференциальный конденсатор. В состоянии покоя, расстояния между центральным электродом и двумя обкладками конденсатора (выделены оранжевым цветом) равны. При воздействии силы эти расстояния меняются, что в дальнейшем фиксируется специальной аналоговой измерительной системой. Современные акселерометры имеют в своем составе сразу три измерительные оси, направленные перпендикулярно друг к другу. Это позволяет измерять ускорение тела в любом направлении.

2. Измерение углов наклона с помощью акселерометра

Все современные смартфоны умеют определять угол своего наклона относительно горизонта. Эта функция используется для автоматического поворота экрана, а также в различных играх, где управление происходит при помощи наклона. И всё это благодаря акселерометру. Но как устройство, определяющее ускорение, может помочь вычислить угол наклона? Дело в том, что на акселерометр, как и на все тела на этой планете, действует сила гравитации. Эта сила придаёт телам ускорение когда они падают на землю. Повернем акселерометр так, чтобы его ось оказалась в вертикальном положении. В таких условиях груз сместится вниз, растянув при этом верхнюю пружину и сжав нижнюю. В этот момент акселерометр зафиксирует величину ускорения свободного падения — 9.8 м/с². Попробуем использовать этот факт для вычисления угла наклона акселерометра относительно горизонта. Изобразим на схеме тело, на котором закреплен трёхосевой акселерометр. Обозначим эти три оси как: Xт, Yт и Zт. Затем повернём тело на угол a вокруг оси Xт относительно системы координат мира X, Y и Z. Предполагается, что ось мира Z направлена вдоль вектора силы гравитации (вверх), а оси X и Y вдоль горизонта. Мы смотрим на всю эту систему сбоку, так что оси мира — X и тела — Xт смотрят на нас, и мы их не видим. В таком положении акселерометр, находящийся внутри тела зафиксирует проекции силы гравитации на все три оси: Gxт,Gyт,Gzт. При этом проекция Gxт на ось Xт будет равна нулю, так как эта ось расположена вдоль горизонта. Проекции Gyт (зеленый отрезок) и Gzт можно выразить с помощью теоремы о прямоугольном треугольнике:

Gyт = G * cos(b) [1]
Gzт = G * sin(b) [2]

Таким образом, зная G и одну из проекций Gyт или Gzт можно вычислить угол b отклонения акселерометра от вектора гравитации Z (от вертикальной оси):

cos(b) = Gyт/G [3]
b = arccos(Gyт/G) [4]

Делая такие вычисления, важно учитывать, что G и Gyт должны измеряться в одинаковых единицах. Например, если мы преобразуем показания акселерометра к единицам гравитации (другими словами G = 1 — земная гравитация), то выражение для угла b примет вид:

b = arccos(Gyт/1) = arccos(Gyт) [5]

И напоследок, вычислим искомый угол a наклона тела относительно горизонта:

a = 90 - b = 90 - arccos(Gyт) [6]

Помним, что Gyт — это число, которое возвращает нам акселерометр.

Заключение

Итак, мы выяснили, что одного лишь акселерометра вполне достаточно, чтобы вычислить угол наклона тела относительно горизонта. В следующем уроке мы рассмотрим конкретный пример работы с датчиком MPU6050 на Ардуино. Однако, следует учитывать, что вычисление углов с помощью акселерометра возможно только тогда, когда прибор находится в состоянии покоя. Ведь если на прибор во время измерения подействует любая другая сила, акселерометр непременно её зафиксирует и тем самым внесет ошибку в расчеты. Частично снять это вредное воздействие внешних сил можно с помощью фильтра низких частот, о котором мы уже рассказывали. Можно пойти вообще по другому пути — использовать не акселерометр, а гироскоп. С помощью него тоже можно вычислять углы наклона. А самый правильный способ — объединить вместе показания разных датчиков, о чем можно узнать в статье про комплементарный фильтр.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Как правильно выбрать акселерометр и датчик ускорения.

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.

Принцип измерений

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.

Измеряемые параметры

Схематично, параметры, измеряемые акселерометрами, можно сгруппировать в следующие классы:

• измерение вибрации: объект вибрирует, если он производит колебательные движения относительно положения равновесия. Вибрацию измеряют в транспортной и аэрокосмической промышленности, а также на промышленном производстве.
• измерение ударных ускорений: внезапное возбуждение структуры, создающее резонанс. Ударный импульс может создаваться взрывом, ударом молотка по предмету или в результате столкновения с другим объектом.
• измерение движения: медленное перемещение со скоростью от доли секунды до нескольких минут, например, перемещение руки робота или подвеска автомобиля.
• сейсмоисследования: измерения малых перемещений и низкочастотной вибрации. Такие измерения требуют специализированных малощумящих акселерометров с высокой разрешающей способностью. Акселерометры для сейсмоисследований контролируют движения мостов, полов, а также определяют землетрясения.

Общие понятия

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.

Вибрация

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.

Ударные ускорения

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.

• Низкий уровень <500 г
• Столкновение <2000 г
• Поле в дальней зоне 500–1000 г, датчик на расстоянии 2 метров от точки удара
• Поле в ближней зоне >5000 г, датчик на расстоянии менее 1 метра от точки удара

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).

Измерение движения, фиксированного ускорения и низкочастотной вибрации

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.

 

Условия эксплуатации

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.

Вес акселерометра

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%.

Чувствительность и разрешение

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.

Источник: http://www.sensorica.ru/docs/art2.html

Особенности и сравнительные характеристики технологий изготовления твердотельных акселерометров

Аннотация: В статье рассматриваются различные технологии изготовления твердотельных акселерометров. Оцениваются преимущества и недостатки устройств, изготовленных с применением различной технологии. Предлагается сравнительная оценка основных рабочих характеристик и оптимальные области применения для акселерометров различной конструкции.

Введение: Задача измерения линейных ускорений и, связанные с ней, задачи контроля положения объекта в пространстве, скорости, вибрационных и других характеристик актуальна во многих областях производства и эксплуатации. Оборудование, требующие контроля и измерения этих характеристик, встречается практически во всех областях производства – от потребительской электроники, до авиации, космонавтики и военного дела.

Вполне естественно, что для решения настолько распространенной задачи предлагается широкий ассортимент специализированных датчиков – акселерометров – обладающих разнообразными характеристиками, как с точки зрения измерительной способности и стойкости к внешним воздействиям, так и по диапазону условий эксплуатации и надежности.

Не последнюю роль в вопросах качества, надежности и сферы применения акселерометров играет технология изготовления чувствительного элемента и особенности конструкции датчика. На данный момент в мире существует три основных технологии изготовления чувствительных элементов датчиков ускорения – две основаны на использование пьезоэлементов: пьезоэлектрическая и пьезорезистивная технологии и третья, более современная, основана на использовании микромеханических (МЭМС/MEMS) структур и функционирует по емкостному принципу.

Каждая из технологий обладает своим уникальным набором преимуществ и недостатков, которые, в большой степени, определяют область применения датчиков этого типа.

Пьезоэлектрическая технология: Конструкция пьезоэлектрического акселерометра основана на использования пьезокристалла. Кристалл устанавливается на массивное основание, а сверху на него монтируется инертная масса, обеспечивающая деформацию кристалла при приложении к датчику ускорения (см. рис.1)

Как известно, деформация пьезокристалла приводит к образованию разности электрических потенциалов на гранях кристалла перпендикулярных оси деформации. Именно на этом эффекте и построена измерительная ячейка датчика – электрический сигнал, снимаемый с кристалла, создается приложенным к деформирующей массе ускорением и пропорционален этому ускорению. При этом, чувствительность датчика определяется пьезоэлектрическим коэффициентом кристалла, т.е. напрямую зависит от свойств используемого материала.

Использование кристалла в качестве чувствительного элемента и фактическое отсутствие подвижных деталей, делает датчики этого типа крайне устойчивыми к внешним воздействиям, в том числе ударам высокой амплитуды (до 6000g), воздействию высоких температур (до 350 °С). Специфика чувствительного элемента позволяет проводить измерения в широком диапазоне частот, что существенно для высокодинамичных задач. Еще одним существенным преимуществом этого типа пьезоэлектрических акселерометров являются компактные размеры, вытекающие из простоты конструкции и миниатюрности ее компонентов.

К сожалению пьезоэлектрические датчики, при всем своем удобстве, обладают существенными недостатками, проистекающими как из конструкционных особенностей измерительной ячейки, так и из ее материала. Первым существенным недостатком, осложняющим жизнь разработчику оборудования, куда интегрируется пьезоэлектрический акселерометр, является необходимость использования электрических соединений с высоким импедансом для подключения датчика к прочим устройствам системы. Требование высокого импеданса вытекает из физической природы пьезоэффекта – индуцированная деформацией разность электрических потенциалов крайне мала по своей величине. Вторым существенным недостатком является низкая стабильность смещения датчика, т.е. величины, определяющей выходной сигнал датчика в состоянии покоя. Низкая стабильность смещения подразумевает существенное и плохо предсказуемое изменение этого параметра под воздействием условий окружающей среды и рабочими воздействиями. Это, само по себе, не слишком удобное при эксплуатации явление отягчается низкой термостабильностью измерительной ячейки, что так же является особенностью пьезокристалла. Низкая термостабильность ячейки приводит к существенному изменению выходного сигнала датчика при изменении температуры окружающей среды и, соответственно, необходимости вводить поправку на изменение температуры, чаще всего определяемую коэффициентами полиномов четвертого — пятого порядков.

Дополнительным неудобством, связанным с использованием пьезокристаллов является их сравнительно высокая гигроскопичность. Таким образом, как хранение, так и эксплуатация пьезоэлектрического акселерометра требует контроля влажности или обеспечения герметичности измерительной ячейки.

Последними двумя факторами, осложняющими эксплуатацию, пьезоэлектрических акселерометров в ряде задач является отсутствие возможности измерения в статическом режиме (разность потенциалов образуется только непосредственно в процессе деформации кристалла, а в крайних положениях сигнал отсутствует) и косвенно вытекающая из этого невозможность реализации функции самотестирования датчика.

Таким образом, можно сделать вывод, что по совокупности преимуществ и недостатков, пьезоэлектрический акселерометр может успешно использоваться для решения задач измерения усилий и перемещения, особенно в тех случаях, когда приложение требует работы при температурах свыше 120 °С. При этом нужно помнить о ряде сложностей, связанных с его эксплуатацией.

Пьезорезистивная технология: Конструкция пьезорезистивного акселерометра основана на использовании тонких пленок пьезо материала, нанесенных на диэлектрическое покрытие консоли измерительной ячейки (см. рис. 2), соединяющей массивное кремниевое основание датчика и инертную массу из того же материала, свободно подвешенную на конце этой консоли.
Приложение ускорения приводит к колебаниям инертной массы и, соответственно, изгибу консоли.

Изгибаясь, консоль деформирует пьезорезистивные полоски, что приводит к изменению их сопротивления, пропорциональному изгибу, а, следовательно, и ускорению. Таким образом, чувствительный элемент представляет собой мостовую схему в плечах которой находятся изменяемые сопротивления (см. рис.3).

Специфика использования пьезорезистивных акселерометров, их преимущества и недостатки, во многом сходны с таковыми для пьезоэлектрических датчиков и основываются на свойствах пьезо материалов, использованных в конструкции.

Аналогично с предыдущим разделом, существенными преимуществами технологии являются широкий частотный диапазон измерений, устойчивость к высоким ускорениям (до 20000g), вибрационным и ударным нагрузкам, способность функционировать при температурах до 350 °С.

Надежная жесткая конструкция и отработанная технология изготовления так же являются преимуществами.

Дополнительным и весьма важным фактором, определяющим качество измерений пьезорезистивных датчиков, является низкий уровень гистерезиса, что существенно улучшает точностные характеристики датчика и его повторяемость.

Схожесть используемых в конструкции, как пьезорезистивных, так и пьезоэлектрических датчиков материалов, определяет и аналогичный набор недостатков данной технологии. Точно так же, как в предыдущем разделе, существенными факторами являются низкая стабильность смещения и плохая термостабильность, чувствительность к влажности, отсутствие возможности статических измерений и реализации самотестирования. Из действовавших ранее факторов, пожалуй, исключается только необходимость использования соединений с высоким импедансом. В данном случае, сложности с согласованием ячейки и остальной схемы отпадают за счет работы ячейки под постоянным потенциалом, который и определяет уровень требуемого импеданса. Однако, это сравнительно небольшое улучшение, полностью компенсируется усложнением конструкции как самой ячейки, так и датчика в целом и необходимость подвода питания к подвижным элементам конструкции (консоли инертной массы).

Дополнительно ухудшает ситуацию с эксплуатацией пьезорезистивных датчиков крайне плохая нелинейность, что вновь ведет к необходимости использования полиномов высоких порядков для компенсации внешних условий, и низкий коэффициент усиления, определяющий разрешающую способность датчика.

Резюмируя, следует отметить, что при всех своих недостатках пьезорезистивные акселерометры могут с успехом использоваться для измерений усилий, перемещений и давления, особенно в условиях задач, требующих работы при высоких температурах, больших ускорениях и потенциальной возможности ударных воздействий. В том числе, этот тип датчиков может быть использован и при решении промышленных задач.

Емкостная технология: Конструкция емкостного МЭМС акселерометра основана на измерительной ячейке, представляющей собой корпус из кремния, внутри которого размещена консоль с подвешенной инертной массой. На внутренние поверхности корпуса и поверхности массы нанесены электроды, что превращает конструкцию в систему из двух конденсаторов (см.рис. 4)

Под действием ускорения инертная масса колеблется на консоли, что приводит к изменению расстояния между обкладками обоих конденсаторов и, как следствие, изменению их емкости. При этом, суммарная емкость составного конденсатора остается неизменной. Вариация емкости конденсаторов отражается изменением потенциалов на их обкладках, что, собственно, и может быть измерено, как сигнал пропорциональный приложенному ускорению.   

Легко видеть, что в данном случае, чувствительность и разрешение подобной МЭМС структуры зависят от конструкции измерительной ячейки, величины воздушного зазора между обкладками конденсаторов и диапазоном его изменения. При этом зависимость параметров от свойств материала, негативно проявившая себя в акселерометрах на основе пьезоэффекта – практически или полностью отсутствует.

Как правило, измерительная ячейка герметична. Ее сборка производится в инертной среде или вакууме, что так же обеспечивает ряд преимуществ данной технологии по сравнению с рассмотренными ранее.

В первую очередь емкостные МЭМС датчики отличает высокая термостабильность и отличная временная стабильность рабочих характеристик. Это обеспечивает простоту и удобство задания необходимой компенсации, причем для работы практически всегда можно найти линейный или слабо-параболический участок рабочей характеристики, что избавляет от необходимости использовать для введения компенсации полиномиальные выражения. В целом, эти факторы обеспечивают емкостным МЭМС акселерометрам высокую степень повторяемости результатов измерений и надежность в сравнительно широком интервале ускорений и условий окружающей среды.

Дополнительный, но весьма существенным, при решении ряда задач, преимуществом является возможность проведения измерений в статическом режиме и, косвенно связанная с этим, возможность проведения самотестирования датчика. Действительно – работоспособность и адекватность измеряемой величины такого датчика легко проверить, просто подав переменный сигнал на обкладки измерительной ячейки. Отклик на такое воздействие даст однозначное понимание о работоспособности датчика. Существует ряд применений, например, такие, в которых используются целые массивы акселерометров или датчиков вибрации на их основе, для которых функция самотестирования является одним из немаловажных факторов эксплуатации.

Безусловно, как и в любой другой технологии, у емкостных МЭМС акселерометров имеется ряд недостатков, основным из которых является относительная сложность конструкции, требующая более трудо- и наукоемкого производства, приводящая к бОльшим срокам изготовления и несколько более высокой стоимости датчиков. Впрочем, при условии массового производства на автоматизированных промышленных линиях этот фактор практически не оказывает влияния. Другой существенной особенностью емкостных датчиков, которую следует учитывать при их эксплуатации, является чувствительность датчиков к электромагнитному воздействию, в той степени, в которой к нему чувствительны все емкостные элементы.

Легко видеть, что заметные преимущества технологии емкостных акселерометров, делают эти датчики оптимальным решением для широкого спектра задач, связанных с измерениями ускорений, перемещения, давления, наклонов и вибрации. Эти датчики с большим успехом могут быть использованы и используются при проектировании промышленных решений и в задачах, сопряженных со значительными ударными и вибрационными нагрузками.

Следует заметить, что в настоящее время, существует два типа датчиков, основанных на емкостных МЭМС структурах, различающихся по технологическим особенностям изготовления самой МЭМС структуры, и подразделяющихся, соответственно, на изготовленные по планарной (поверхностной) и объемной технологии. Сохраняя все преимущества емкостных датчиков, о которых говорилось выше, эти два типа акселерометров, все же, имеют некоторые различия.

Так, датчики, изготовленные по планарной технологии (см. рис. 5) имеют гребенчатую структуру инертной массы, способную, при грамотной конструкции консолей, колебаться сразу в нескольких плоскостях.

Это делает возможным реализацию многоосного акселерометра в габаритах одиночной измерительной ячейки. Планарные ячейки имеют ширину «воздушного» зазора между электродами конденсаторов переменной емкости в диапазоне 4-6 мкм (с погрешностью 17%), при весе инертной массы 0,03 – 0,3 мг. Это обеспечивает емкость переменных конденсаторов на уровне от 2 до 5 пФ (численные данные предоставлены корпорацией Safran Colibrys).

Сравнительная простота технологии изготовления планарных структур (поверхностное травление), обеспечивает надежность изготовления и малые габариты измерительных ячеек. Это же делает планарные измерительные ячейки более дешевыми, по сравнению с ячейками, изготавливаемыми по объемной технологии. Тем не менее, небольшая инертная масса и большая величина зазора между электродами вызывают ряд недостатков, основным из которых является высокий уровень шумов и низкая (в сравнении с датчиками объемной технологии) стабильность рабочих характеристик.

Датчики, изготовленные по объемной технологии (см. рис. 6) имеют инертную массу, свободно подвешенную на консоли над поверхностью основания.

Легко видеть, что такая технология изготовления (объемное прецизионное травление и технология сплавления кремния) гораздо сложнее и требует большего времени и более сложного оборудования. При этом габариты измерительной ячейки больше чем у изготовленной по планарной технологии, а также отсутствует возможность реализации многоосной системы в рамках одной ячейки. Однако, при ширине «воздушного» зазора порядка 2 мкм (с погрешностью 1,5%) и весе инертной массы от 5 до 15 мг, такие переменные конденсаторы имеют емкость в диапазоне от 15 до 50 пФ (численные данные предоставлены корпорацией Safran Colibrys), что обеспечивает акселерометрам, изготовленным по объемной технологии, уникально низкий уровень шумов и высокую стабильность рабочих характеристик.

Сравнение: Из приведенных данных легко видеть, что каждая из трех описанных выше технологий имеет свой собственный уникальный набор явных преимуществ, равно как и набор очевидных недостатков. Сведя всю совокупность данных на общую сравнительную диаграмму, приведенную на рисунке 7 (данные предоставлены корпорацией Shafran Colibrys), и проанализировав ее, можно сделать вывод о том, что области применения акселерометрических датчиков, изготовленных по различным технологиям, фактически не перекрываются.

Пьезоэлектрические и пьезорезистивные акселерометры демонстрируют способность работать в жестких условиях эксплуатации – при высоких температурах, ударных и вибрационных воздействиях и производить измерения ускорений в широком диапазоне как по амплитуде, так и по полосе частот.

При этом, емкостные МЭМС датчики, уступая как в амплитудных значениях измеряемых ускорений, так и по условиям окружающей среды, демонстрируют уникальную точность, надежность и стабильность измерений, при высокой чувствительности к измеряемому параметру.

Выводы: Резюмируя, можно сделать вывод, о том, что конкретная модель акселерометрического датчика, как и технология его изготовления, должна определяться исходя из решаемой задачи, поскольку области применимости датчиков различных типов практически не перекрываются.

Видно, что емкостные МЭМС акселерометры могут быть использованы в широком ассортименте задач, от решений для потребительской электроники и промышленных задач, до специфических устройств из области транспорта, добычи полезных ископаемых, авиации и оборонных проектов. Такие акселерометры, изготовленные по объемной технологии, успешно применяются в качестве датчиков наклона в оборудовании шельфового бурения, в системах стабилизации и контроля набора крыла современных пассажирских лайнеров, в качества датчиков вибрации для контроля состояния дорожного полотна и тележек вагонов в современных высокоскоростных поездах.

Одновременно с этим (см рис. 8), использование пьезо акселерометров оправдано в том случае, когда для достижения сверхвысоких рабочих температур, высоких уровней измеряемого ускорения или эксплуатации в сверхвысокодинамичных системах, возможно пренебречь вопросами стабильности и точности проводимых измерений.

Принцип работы и применение датчика акселерометра.

Мы используем датчики вместе с нашими устройствами для мониторинга и контроля различных физических величин. Устройства взаимодействуют с окружающей средой с помощью датчиков. С появлением технологий сегодня у нас есть широкий выбор датчиков; как в аналоговой, так и в цифровой форме для измерения физических величин, таких как температура, давление, влажность, направление, интенсивность света и т. д.. Одним из таких датчиков, используемых для измерения скорости и ускорения устройств, является датчик акселерометра.

Что такое датчик акселерометра?

Скорость изменения скорости тела во времени называется ускорением. Согласно относительной теории, в зависимости от относительного объекта, используемого для измерения ускорения, различают два типа ускорения. Собственное ускорение, которое представляет собой физическое ускорение тела относительно инерции или наблюдателя, находящегося в состоянии покоя относительно измеряемого объекта.

Координатное ускорение зависит от выбора системы координат и выбора наблюдателей.Это не соответствует правильному ускорению. Датчик акселерометра — это электромеханическое устройство, используемое для измерения правильного ускорения объекта.

Принцип работы

Основной принцип работы акселерометра — это сброс массы на пружину. Когда это устройство испытывает ускорение, масса перемещается до тех пор, пока пружина не сможет легко перемещать массу с той же скоростью, что и воспринимаемое ею ускорение. Затем это значение смещения используется для измерения ускорения.

ПьезоАкселерометр-датчик

Акселерометры выпускаются в виде цифровых и аналоговых устройств. Акселерометры конструируются с использованием разных методов. Пьезоэлектрические, пьезорезистивные и емкостные компоненты обычно используются для преобразования механического движения, вызываемого акселерометром, в электрический сигнал.

Пьезоэлектрические акселерометры состоят из монокристаллов. Они используют пьезоэлектрический эффект для измерения ускорения. При приложении к напряжению эти кристаллы генерируют напряжение, которое интерпретируется как определение скорости и ориентации.

В емкостных акселерометрах используется кремниевый элемент, обработанный на микрообработке. Здесь емкость генерируется при обнаружении ускорения, и эта емкость преобразуется в напряжение для измерения значений скорости.

Современные акселерометры представляют собой самые маленькие MEMS, состоящие из консольной балки с испытательной массой. Акселерометры доступны как в двухмерном, так и в трехмерном исполнении для измерения скорости и ориентации. Когда требуются верхний частотный диапазон, высокотемпературный диапазон и малый вес в упаковке, пьезоэлектрические акселерометры являются лучшим выбором.

Приложения

Датчик акселерометра применяется следующим образом:

• В инерциальных навигационных системах используются высокочувствительные акселерометры.
• Для обнаружения и контроля вибрации во вращающемся оборудовании.
• Для отображения изображений в вертикальном положении на экранах цифровых фотоаппаратов.
• Для стабилизации полета дронов.
• Акселерометры используются для определения ориентации, координат ускорения, вибрации, ударов.
• Используется для определения положения устройства в ноутбуках и мобильных телефонах.
• Высокочастотная регистрация двухосного и трехосного ускорения в биологических приложениях для распознавания моделей поведения животных.
• Мониторинг состояния оборудования.
• Для обнаружения неисправностей в ротаторных машинах.
• Они также используются для мониторинга зданий и сооружений для измерения движения и вибрации конструкции при воздействии динамических нагрузок.
• Для измерения глубины сжатия грудной клетки при СЛР.
• Навигационные системы используют датчики акселерометра для определения направления.
• Устройства дистанционного зондирования также используют акселерометры для наблюдения за действующими вулканами.

Использование / примеры

Некоторыми примерами применения датчика акселерометра являются самолеты, ракеты, сеть Quake-Catcher для научных исследований землетрясений, насосы, вентиляторы, ролики, компрессоры, Zoll’s AED plus, подножки, интеллектуальные уплотнительные катки , система раскрытия подушек безопасности, электронная система контроля устойчивости в автомобилях, наклоняющихся поездах, гравиметрия, видеокамеры, Glogger VS2, мобильные телефоны и т. д.

Да, в вашем смартфоне тоже есть акселерометр.Он используется вместе с гироскопом для измерения угла и ориентации телефона. Вы заметили, как работает датчик акселерометра в вашем смартфоне? Как это вам помогло?

.Принцип работы датчика вибрации акселерометра

— Инструментальные средства

Гостевые статьи Измерение вибрации

На простом языке мы говорим, что вибрация — это движение или механическое колебание относительно положения равновесия машины или компонента. Вибрация является побочным продуктом другой полезной операции, и ее очень трудно избежать.

Единица измерения вибрации (м / с2) или единицы гравитационной постоянной «g», где 1 g = 9,81 м / с2. Вибрация измеряется двух типов: непрерывное измерение критической машины и периодическое измерение машины после выбранного интервала.

Почему необходимо измерять вибрацию:

Ниже приводится причина измерения вибрации

1. Для проверки работоспособности критически важной машины (например, компрессора). Анализируя тенденцию к вибрации, мы можем определить работоспособность критически важной машины.
2. Структурный анализ.

Здесь мы обсуждали измерение вибрации акселерометра.

Датчик вибрации акселерометрического типа:

Датчик вибрации акселерометрического типа работает на пьезоэлектрическом эффекте.Ускорение коробки передач передается сейсмической массе внутри акселерометра, которая создает пропорциональную силу на пьезоэлектрическом кристалле.

Затем пьезокристалл генерирует электрический заряд (мВ), который пропорционален приложенной силе. Это МП передается на передатчик, а затем передатчик усиливает это МВ, преобразует его в 4-20 мА и отправляет на контроллер / дисплей.

Также читайте: Bently Nevada Vibration Probes Testing

Точка выбора лучшего акселерометра:

1. На основе монтажа
2. Диапазон измерения вибрации
3. Чувствительность: это очень важный момент, о котором нужно помнить.Чувствительность — это соотношение между вибрацией и напряжением, создаваемым акселерометром при эталонной чувствительности, определяемой мВ / G. Предположим, вибрационный зонд с чувствительностью 5 мВ / G, тогда его средство при 1 грамме заставляет его производить 5 мВ.

Проверка датчика:

1. Проверьте сопротивление датчика, оно должно находиться в диапазоне от килоомов до мегаомов, или обратитесь к руководству поставщика.
2. Постучите по наконечнику датчика вибрации и проверьте индикатор, изменяются ли показания.

Автор статьи:
Ashish Agrawal

.Принцип работы и использование измерителя LCR

Измеритель LCR используется для измерения импеданса цепи или устройства. В этой статье ScienceStruck объясняется использование, типы и некоторые параметры, относящиеся к измерителям LCR.

Измеритель LCR также измеряет D или Q. D означает коэффициент рассеяния. Он получается путем деления действительной части импеданса на мнимую часть импеданса (которая является реактивным сопротивлением). Q означает фактор качества. Это инверсия D.

.

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Измеритель LCR используется для измерения индуктивности, емкости и сопротивления цепи. Отсюда и название измеритель LCR.

Когда происходит изменение тока, протекающего по проводнику, соответствующее изменение индуцируется в напряжении в нем и в проводниках, окружающих его. Это свойство известно как индуктивность. Способность тела или проводника накапливать электрический заряд называется емкостью.Противодействие, которое проводник предлагает прохождению электрического тока через него, называется сопротивлением.

Принцип работы

Мы пропускаем переменное напряжение через тестируемое устройство. Теперь измеритель LCR используется для измерения напряжения и тока на ИУ. Величину импеданса можно рассчитать из отношения этих двух величин.

Использование измерителя LCR

Цифровой измеритель LCR используется для измерения импеданса, протекающего через тестируемое устройство (DUT).Он измеряет напряжение (В) на нем, ток (I), протекающий через него, и фазовый угол между током и напряжением. Впоследствии мы можем определить все параметры импеданса из этих трех факторов.

Таким образом, измеритель LCR измеряет следующие параметры, относящиеся к цепи:

• индуктивность
• емкость
• сопротивление
• коэффициент рассеяния
• добротность
• текущий
• напряжение
• фазовый угол между током и напряжением
• проводимость
• восприимчивость

Что такое импеданс?

Импеданс — это сопротивление, которое цепь предлагает протеканию через нее постоянного или переменного тока.Это векторная величина, состоящая из двух скаляров: сопротивления и реактивного сопротивления. Реактивное сопротивление — это сопротивление электронного компонента протеканию переменного тока из-за емкости и индуктивности.

Типы счетчиков LCR

1. портативные измерители LCR:

Как следует из названия, эти измерители LCR имеют небольшие размеры и их можно держать в руке; они легкие и портативные. У них есть многократная частота тестирования, и данные, которые они собирают, могут быть переданы на ПК через порт USB.Обычно они используются в полевых операциях. Они предлагают точность в диапазоне от 0,2% до 0,1%. Тестовая частота портативного измерителя LCR варьируется от 100 Гц, 120 Гц, 1 кГц, 10 кГц и 100 кГц.

2. Настольные измерители LCR:

Они громоздкие. Они могут работать на программируемых частотах. Они предлагают точность 0,01%. Им можно управлять с помощью компьютера. Тестовые частоты выше 100 кГц.

Некоторые термины, которые вы должны знать

Тестовая частота

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Измерители

LCR работают в диапазоне частот от 10 Гц до 2 МГц. ИУ используется на собственной частоте. Измерители LCR должны согласовывать частоту своих измерений с частотой, на которую настроено тестируемое устройство.

Испытательное напряжение

На ИУ подается определенное напряжение. Выходное напряжение переменного тока измерителя LCR должно соответствовать ему.

Точность

Если точность ваших измерений высока, требуется больше времени для записи этого измерения для измерителя LCR.Точность снижается, если измерение записывается за короткое время. Большинство измерителей LCR обеспечивают 3 скорости измерения: медленную, среднюю и быструю. Вы должны сделать выбор между скоростью и точностью.

Некоторые методы, используемые с измерителями LCR

Мостовой метод

Этот метод используется для измерения частот ниже 100 кГц. DUT размещается на мосту Уитстона. Z _D — это ИУ.Z _B и Z _C — известные импедансы. Импеданс Z _A изменяется до тех пор, пока не перестанет течь ток через Z _D .

Таким образом, четыре импеданса подчиняются уравнению:

Z D / Z A = Z C / Z B Z D = ( Z C / Z B) Z A

Таким образом, мы можем найти импеданс ИУ.

Измерение LCR методом вольтампания

В этом методе измерение LCR компонента выполняется путем измерения тока и напряжения. Затем значения импеданса вычисляются из этих двух величин.

Существуют различные схемы схем с низким и высоким импедансом, а именно:

Доступны как аналоговые, так и цифровые измерители LCR.В то время как аналоговые тестеры дешевле, цифровые тестеры более точны по качеству.

,Принцип работы вихревого расходомера

Вихревой расходомер можно использовать для широкого диапазона жидкостей, то есть жидкостей, газов и пара. Их следует рассматривать как первый выбор, при условии проверки на соответствие требованиям конкретного приложения.

Вихревые измерители — это, по сути, частотомеры, поскольку они измеряют частоту вихрей, генерируемых «утолщенным телом » или «шеддерной полосой».

Вихри будут возникать только при определенной скорости (перенумеровать) по направлению, следовательно, вихревые измерители будут иметь приподнятый ноль, называемый «точкой отсечки».Прежде чем скорость станет равной нулю, выходной сигнал измерителя будет уменьшен до нуля.

При определенном противотоке (выше точки отсечки) некоторые вихревые измерители могут выдавать выходной сигнал, который может привести к ложной интерпретации.

См. Также: Анимация вихревого расходомера

Вихревые расходомеры — это расходомеров фактического объема , как и диафрагменные расходомеры. Эти измерители интрузии, такие как диафрагменные измерители, вызовут падение давления по мере увеличения потока, что приведет к постоянной потере.следовательно, жидкости, близкие к их точке кипения, могут вызвать кавитацию, поскольку давление на измерителе падает ниже давления пара жидкости.

Как только давление восстанавливается выше давления пара, появляются пузырьки. Кавитация вызывает сбои в работе измерителя, и ее следует всегда избегать.

Вихревой расходомер

Принцип

Жидкость, текущая с определенной скоростью и проходящая через неподвижное препятствие, порождает вихри.Генерация вихрей известна как Вихри Кармана, и точка кульминации вихрей будет приблизительно 1.2D ниже по потоку от тела обтекания.

Струхал обнаружил, что как только натянутая проволока начинает вибрировать в воздушном потоке, частота будет прямо пропорциональна скорости воздуха,

St = f * d / V0 (без измерения)

St = число Струхаля

f = частота проволоки

d = диаметр проволоки

V0 = скорость

Это явление называется «выпадением вихрей», а последовательность вихрей известна как «Вихревая улица Кармана».

Частота образования вихрей является прямой линейной функцией скорости жидкости, а частота зависит от формы и ширины грани тела обтекания. Поскольку ширина препятствия и внутренний диаметр трубы будут более или менее постоянными, частота определяется выражением-

f = (St * V) / c * D

f = частота вихря, Гц

St = число Струхаля, размер минус

V = Скорость жидкости на шеддере, м / с

D = Внутренний диаметр трубы, м

c = постоянный (отношение d / D)

d = Лицевая ширина шеддера бар, м

Градиент потери давления на вихревом измерителе будет иметь форму, аналогичную форме диафрагмы.самая низкая точка давления будет на стержне шеддера (сравнима с веной контракта для диафрагмы). после этой точки давление будет постепенно восстанавливаться, что в конечном итоге приведет к постоянной потере давления. Чтобы избежать кавитации, представляет интерес потеря давления в вене-контракте.

Минимальное противодавление, необходимое для предотвращения кавитации:

Pmin = 3,2 * Pdel + 1,25 * Pv

Pmin = минимальное необходимое давление на пяти диаметрах трубы после расходомера в барах

Pdel = рассчитано постоянная потеря давления в барах

Pv = давление пара при рабочей температуре в барах

Помните — для большинства вихревых расходомеров d / D будет иметь диапазон 0.22 — 0,26, частота вихрей будет зависеть от размера метра, чем больше метр, тем ниже частота. Таким образом, максимальный диаметр вихревого измерителя ограничен, поскольку разрешение измерителя может стать проблемой для целей контроля.

Для решения этой проблемы используются встроенные цифровые умножители, которые умножают частоту вихря без дополнительной ошибки.

Принцип измерения частоты

Пьезоэлектрические датчики — пара пьезоэлектрических кристаллов встроена в шеддерную планку.Так как шеддерный стержень будет подвергаться воздействию переменных сил, вызванных частотой выпадения, то же самое будет и на пьезокристаллы.

Датчики переменной емкости — пара датчиков переменной емкости встроена в шеддерную планку. Поскольку шеддерный стержень будет подвергаться чередующимся микродвижениям, вызванным силами в результате частоты выпадения, конденсаторы соответственно изменят свою емкость.

На работу вихревых расходомеров влияет

изменение геометрии шеддерной штанги из-за эрозии

изменение геометрии шеддерной штанги из-за отложений, т.е.е. Воск

Коррозия переднего трубопровода

Изменение положения планки шеддера, если она не закреплена должным образом

Гидравлический шум.

В общем, счетчик votex будет состоять из следующих электронных компонентов —

чувствительных элементов, предварительных усилителей переменного тока, усилителя переменного тока с фильтрами, функций шумоподавления, триггера Шмитта, микропроцессора.

Характеристики линейный цифровой (или аналоговый) выходной сигнал без использования отдельных передатчиков или преобразователей, упрощающий установку оборудования.Точность измерителя хорошая в потенциально широком диапазоне расхода, хотя этот диапазон зависит от условий эксплуатации.

Частота выпадения зависит от размеров тела обтекания и, будучи естественным явлением, обеспечивает хорошую долгосрочную стабильность калибровки и повторяемость лучше, чем ± 0,15% от скорости. Дрейфа нет, потому что это частотная система.

В счетчике нет движущихся или изнашиваемых компонентов, что обеспечивает повышенную надежность и сокращение затрат на техническое обслуживание.Техническое обслуживание еще больше сокращается из-за отсутствия клапанов или коллекторов, вызывающих проблемы с утечкой. Отсутствие клапанов или коллекторов обеспечивает особенно безопасную установку, что является важным фактором, когда технологическая жидкость опасна или токсична.

Если используемый датчик достаточно чувствителен, один и тот же измеритель образования вихрей можно использовать как для газа, так и для жидкости. Кроме того, калибровка измерителя практически не зависит от рабочих условий (вязкости, плотности, давления, температуры и т. Д.), Используется ли измеритель для газа или жидкости.

Вихревой расходомер также предлагает низкую стоимость установки, особенно для труб диаметром менее 6 дюймов (152 мм), что сравнимо с ценой на установку диафрагмы и преобразователя дифференциального давления.

Ограничение включает диапазон размеров счетчика. Измерители диаметром менее 0,5 дюйма (12 мм) непрактичны, а измерители диаметром более 12 дюймов (300 мм) имеют ограниченное применение из-за их высокой стоимости по сравнению с диафрагменной системой и их ограниченного разрешения выходного импульса.

Количество импульсов, генерируемых на единицу объема, уменьшается по закону куба с увеличением диаметра трубы. Следовательно, вихревой расходомер диаметром 24 дюйма (610 мм) с типичным коэффициентом блокировки 0,3 будет иметь только выходную частоту полной шкалы приблизительно 5 Гц при скорости жидкости 10 футов / с (3 м / с).

Выбор и определение размеров:

В качестве первого шага в процессе выбора рабочие условия (температура технологической жидкости, температура окружающей среды, давление в трубопроводе и т. Д.) Должны быть сравнены со спецификацией расходомера.

Смачиваемые материалы расходомера (включая связующие вещества) и датчики должны быть затем проверены на совместимость с технологической жидкостью как в отношении химического воздействия, так и безопасности. Например, на кислороде следует избегать использования цветных металлов или подходить к ним с особой осторожностью. Затем следует установить минимальный и максимальный расход расходомера для данного приложения.

Минимальный расход расходомера определяется числом Рейнольдса от 10 000 до 10 500, плотностью жидкости и минимально допустимой частотой утечки для электроники.Максимальный расход определяется потерей давления в измерителе (обычно с двумя скоростными головками), началом кавитации с жидкостями и звуковой скоростью потока (запирание) с газами.

Следовательно, диапазон расхода для любого применения полностью зависит от вязкости, плотности и давления пара рабочей жидкости, а также от максимальной скорости потока и давления в трубопроводе.

Для продуктов с низкой вязкостью, таких как вода, бензин и жидкий аммиак, и при максимальной скорости нанесения 15 футов / с (4.6 м / с), вихревые расходомеры могут иметь диапазон измерения около 20: 1 с потерей давления около 4 фунтов на кв. Дюйм (27,4 кПа).

Высокая точность («скорости») расходомера и цифровой линейный выходной сигнал делают его применение в широких диапазонах расхода практическим предложением. Диапазон изменения уменьшается пропорционально увеличению вязкости, уменьшению плотности или уменьшению максимальной скорости потока процесса. Поэтому вихревые расходомеры непригодны для использования с жидкостями с высокой вязкостью.

Преимущества вихревых расходомеров

• Вихревые расходомеры могут использоваться для жидкостей, газов и пара
• Низкий износ (по сравнению с турбинными расходомерами)
• Относительно низкая стоимость установки и обслуживания
• Низкая чувствительность к изменениям условий процесса
• Стабильная долговременная точность и повторяемость
• Применимо к широкому диапазону рабочих температур
• Доступно для труб большого разнообразия размеров

Ограничения вихревого расходомера

• Не подходит для очень низких расходов
• Минимальная длина прямой трубы требуется до и после вихревого расходомера

Вихревой расходомер Приложения

Вихревые расходомеры подходят для различных применений и отраслей, но лучше всего работают с чистыми жидкостями с низкой вязкостью, средними и высокими скоростями.

Некоторые из основных областей применения включают:

• Коммерческий учет природного газа
• Измерение пара
• Поток жидких суспензий
• Общие водные приложения
• Жидкие химикаты и фармацевтические препараты

Также прочтите: Работа расходомера турбины Принцип

.